Hướng dẫn sử dụng phần mềm ansys maxwell mô phỏng động cơ

ANSYS, Inc là một công ty chuyên về giải pháp mô phỏng một hệ thống kĩ thuật bằng bộ công cụ Ansys Software trên giao diện Workbench. ANSYS, Inc thành lập những năm 1970, hiện tại trụ sở công ty tại Pennsylvania, Hoa Kỳ cùng với khoảng 60 chi nhánh bán hàng tại 40 quốc gia trên khắp thế giới. 1=www.ansys.com Các sản phẩm của công ty chuyên về mảng CAE (ComputerAided Engineering hay ứng dụng máy tính vào giải quyết bài toán mô phỏng các hệ thống kĩ thuật) ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau như phân tích điện, từ, nhiệt, dòng chảy, quang học … Có thể nói ANSYS, Inc cung cấp bộ công cụ toàn diện cho một kỹ sư giải quyết các vấn đề kỹ thuật thường gặp. Các công cụ này cũng được đóng gói thành những phần mềm nhỏ riêng để người sử dụng có thể tối ưu hóa phần mềm cài đặt phù hợp mục đích sử dụng. Bên cạnh đó, ANSYS, Inc cũng cung cấp bộ phần mềm tích hợp phiên bản Student được sử dụng miễn phí dành cho sinh viên sử dụng, tuy nhiên phiên bản này không tích hợp đầy đủ các công cụ cũng như tính năng còn hạn chế. Maxwell 2D là một công cụ nhỏ trong ANSYS Electronics – một phần mềm của ANSYS Inc dùng để phân tích các mạch điện, điện tử và các cấu trúc điệntừ khác. Maxwell 2D dược tích hợp để ứng dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn trong bài toán liên quan đến điện trường và từ trường cũng như quá trình quá độ điện từ trong hệ thống. Để phân tích điện từ người ta phải đưa vào phần mềm các mô hình vật thế với các yếu tố như kích thước, vật liệu, kích thích, điều kiện xét … một các chính xác, và phần mềm sẽ chia nhỏ vật thể thành một hữu hạn phần tử nhỏ và tính toán các phương trình Maxwell trên mỗi phần nhỏ ấy và tổng hợp kết quả. Về lí thuyết thì chia càng nhỏ độ chính xác càng cao, tuy nhiên thời gian tính toán sẽ lâu hơn.

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỌ 3 PHA

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Vũ Thanh

Sinh viên thực hiện: Đào Văn Thuận- MSSV: 2015654

Lã Quốc Việt- MSSV: 20154343

I Sử dụng công cụ ANSYS Maxwell 2D để mô phỏng động cơ không đồng bộ 3 pha

1 Giới thiệu về ANSYS và Maxwell 2D

ANSYS, Inc là một công ty chuyên về giải pháp mô phỏng một hệ thống kĩ thuật bằng

bộ công cụ Ansys Software trên giao diện Workbench ANSYS, Inc thành lập những năm

1970, hiện tại trụ sở công ty tại Pennsylvania, Hoa Kỳ cùng với khoảng 60 chi nhánh bánhàng tại 40 quốc gia trên khắp thế giới [1=www.ansys.com] Các sản phẩm của công tychuyên về mảng CAE (Computer-Aided Engineering hay ứng dụng máy tính vào giảiquyết bài toán mô phỏng các hệ thống kĩ thuật) ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau như phântích điện, từ, nhiệt, dòng chảy, quang học … Có thể nói ANSYS, Inc cung cấp bộ công cụtoàn diện cho một kỹ sư giải quyết các vấn đề kỹ thuật thường gặp Các công cụ này cũngđược đóng gói thành những phần mềm nhỏ riêng để người sử dụng có thể tối ưu hóa phầnmềm cài đặt phù hợp mục đích sử dụng Bên cạnh đó, ANSYS, Inc cũng cung cấp bộphần mềm tích hợp phiên bản Student được sử dụng miễn phí dành cho sinh viên sử dụng,tuy nhiên phiên bản này không tích hợp đầy đủ các công cụ cũng như tính năng còn hạnchế

Maxwell 2D là một công cụ nhỏ trong ANSYS Electronics – một phần mềm củaANSYS Inc dùng để phân tích các mạch điện, điện tử và các cấu trúc điện-từ khác.Maxwell 2D dược tích hợp để ứng dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn trong bàitoán liên quan đến điện trường và từ trường cũng như quá trình quá độ điện từ trong hệthống Để phân tích điện từ người ta phải đưa vào phần mềm các mô hình vật thế với cácyếu tố như kích thước, vật liệu, kích thích, điều kiện xét … một các chính xác, và phầnmềm sẽ chia nhỏ vật thể thành một hữu hạn phần tử nhỏ và tính toán các phương trìnhMaxwell trên mỗi phần nhỏ ấy và tổng hợp kết quả Về lí thuyết thì chia càng nhỏ độchính xác càng cao, tuy nhiên thời gian tính toán sẽ lâu hơn

2 Làm quen với Maxwell 2D

2.1 Vẽ một đối tượng

Số 1| Mở Maxwell 2D

B1: Click đúp vào biểu tượng trên màn hình desktop

B2: Cửa sổ hiện ra có sẵn Project 1, ta có thể đổi tên sau

Nhấp chuột phải Project 1 >> Insert >>Insert Maxwell 2D Design

Quan sát giao diện khi mở Maxwell 2D

Cửa số thư viện

Hộp tiến trình Hộp tin báo

Số 2| Tạo hệ tọa độ (Coordinate System)

Hệ tọa độ mặc định là hệ tọa độ Global khi ta mở rộng cây Coordinate System

trong Cửa sổ lịch sử

Ta có thể tạo thêm các hệ tọa độ tương đối khác bằng cách chọn

Modeller >> Coordinate System >> Create >> Relative CS >> Offset

Offset là hệ tọa độ có các trục song song với hệ Global, Rotate là hệ tọa độ quaytương đối so với hệ Global và gốc trùng gốc của hệ Global, Both là kết hợp 2 hệ tọa độtrên

Khi chọn Offset/Rotate/both thì phía góc tay phải màn hình có hộp chọn hệ tọa độ

Ta có thể chọn hệ tọa độ Đề các/hệ tọa độ trụ (Cylindrical)/hệ tọa độ cầu(Spherical) và cài thông số “tọa độ” của hệ tọa độ mới so với hệ Global

Trong phạm vi khảo sát động cơ, do đối xứng nên ta có thể xét với hệ tọa độ Đềcác cho đơn giản

Khi có nhiều hệ tọa độ thì ta phải gán cho một hệ tọa độ làm việc, ta mở rộng câyCoordinate System và chọn hệ tọa độ khảo sát

Chú ý là ta không nhất thiết chỉ được dùng một hệ tọa độ trong suốtquá trình.

Số 3| Cài đặt Xem hiển thị trên giao diện

Ta chọn View trên thanh Menu để lựa chọn chế độ xem

Status Bar : Thanh trạng thái Project Manager: Cửa số Project Message Manager: Hộp tin nhắn Property : Cửa sổ Property Progress: Hộp tiến trình Component Lib : Cửa sổ thư viện Layers

Nets Components Docking Window Layouts Variables: Các biến số sử dụng Fit All : Khớp hình vẽ với màn hình Fit Selection: Khớp phần chọn với màn

Số 4| Các đối tượng hình học trong Maxwell 2D

Point: Đối tượng dạng điểm độc lập Vertex: Điểm thuộc một phần của một

cạnh (Edge) hoặc điểm cuối của đường (Line)

Line: Đối tượng dạng đường độc lập Edge: Đối tượng đường thuộc một

phần của một tấm (Sheet) hoặc của mộtmặt (Face)

Sheet object: Đối tượng bề mặt độc lập Face: Đối tượng bề mặt thuộc một

phần của một tấm (Sheet) hoặc của một

khối đặc (Solid) Solid object: Đối

tượng có dạng một thể tích xác định (đặc)

Planes: Các mặt tọá độ XY, YZ, XZ

Số 5| Cách vẽ các đối tượng của Maxwell 2D

Để vẽ các đối tượng ta dùng lệnh Draw (hoặc bấm chuột vào các biểu tượng trên thanh công cụ, tuy nhiên ở đây chỉ trình bày cách dùng lệnh để vẽ)

Line: Vẽ đối tượng đường thẳng Spline: Vẽ đối tượng đường cong Arc: Vẽ đối tượng đường cong

bằng 3 điểm hoặc vẽ một phầnđường tròn

Rectangle: Vẽ hình chữ nhật Ellipse: Vẽ hình elip

Circle: Vẽ hình tròn Regular Ponygon: Vẽ hình đa giác

sát

Số 6| Chỉnh sửa các đối tượng đã vẽ

Sau khi vẽ đối tượng, nếu cần chỉnh sửa thông số thì ta vào Cây lịch sử (History

Tree) và click đúp vào đối tượng cần thay đổi và nhập thông số muốn thay đổi

Ví dụ muốn thay đổi tọa độ của một đường Line đã vẽ, ta nhập vào các ô điểm đâu fvaf cuối các giá trị tương ứng cần thay đổi Tương tự với các đối tượng khác Các đối tượng như Line, Sheet … thường sử dụng khi ta muốn vẽ khảo sát đối tượng k có mẫu;

đối với khảo sát động cơ thì ta sử dụng các mẫu có sẵn trong User Defined Primitive.

Số 7| Cách sử dụng các công cụ mẫu có sẵn

Để lấy mẫu có sẵn ta chọn Draw >> User Defined Primitive >> RMxprt

Trong thư viện mẫu có sẵn các phần cấu thành lên một số loại động cơ thông dụng (động cơ KĐB, động cơ ĐB, động cơ một chiều …) và một số loại động cơ đặc biệt (động

cơ BLDC, động cơ bước …) và ta chỉ việc chọn sau đó cài đặt thông số cho nó

Ví dụ muốn vẽ rotor/stator của động cơ KĐB ta chọn vào Slotcore, vẽ dây quấn động cơ ta chọn vào LapCoil, vẽ lồng sóc ta chọn SquirrelCage … Chú ý trong Maxwell 2D ta đưa độ dài (length) của các chi tiết về 0

Số 8| Một số lệnh chỉnh sửa (Modeller) hay dùng

8.1 Chọn hệ tọa độ làm việc

Modeller >> Coordinate >> Set working coordinate

8.2 Lệnh sao chép đối tượng (Duplicate)

Click chuột phải vào đối tượng cần sao chép >> Edit >> Duplicate >> Along Axis

Asis : Trục mà vật thể quay, mặc định là trục z Angle: Góc giữa hai vật thể liên tiếp

Total number: Tổng số vật thể cần sao chép

8.3 Lệnh chia tách đối tượng

B1: Click chuột phải đối

tượng cần chia tách

B2: Edit >> Boolean >>

Separate Bodies

8.4 Lệnh hợp nhất đối tượng

8.5 Lệnh cắt (Subtract)

2.2 Gán thông số cho đối tượng

Sau khi vẽ xong đối tượng thì ta gán cho nó các thông số như vật liệu, các đạilượng điện và từ cũng như một số thông số khác

Số 1| Chọn chế độ xét

Maxwell 2D >> Solution type

Ta có thể chọn các chế độ để khảo sát

Magnetostatisc: Chế độ từ tĩnh với dòng điện 1 chiều

hoặc xoay chiều hiệu dụng

Transient: Chế độ quá độ với dòng điện xoay chiều Eddy Current: Xem xét dòng điện xoáy (dòng xoay

chiều gây ra với lõi thép)

Electrostatic: Xét điện trường tĩnh

Ở đây ta thường chọn chế độ quá độ hoặc chế độ xác lập đối với từ trường để khảo sát

Số 2| Gán vật liệu

Gán vật liệu cho từng thành phần của đối tượng, có thể gán ngay từ đầu trước khi

vẽ bằng cách tại góc trên bên phải màn hình nhấn vào Material

>> Select và cửa sổ vật liệu hiện ra, ta chọn vật liệu tương

ứng

Ta có thể chọn vật liệu sau khi vẽ bằng cách Chọn vật cần gán vật liệu và click

chuột phải >> Assign Material >> Chọn vật liệu tương ứng

Số 3| Gán biên (boundary)

Chọn vật thể (ngoài cùng) để gán biên như hình bên dưới nhằm giới hạn vùng không gian xem xét

Số 4| Gán kích thích về điện

Chọn các vật thể mang dòng điện và gán kích thích cho nó bằng Maxwell 2D >>

Excitations >> Assign >> …

Số 5| Chia vật thể thành các vi phân nhỏ để phân tích

Maxwell 2D nói chung phân tích hệ thống bằng cách chia nhỏ vật thành các phần

tử hữu hạn để tính toán trên từng phần tử, đây là bước chia phần tử bằng công cụ

Mesh có sẵn

Maxwell 2D >> Mesh Operations >> Assign >> Surface Approximation …

Cửa sổ hiện ra cho phép tachọn độ chia nhỏ cho vật thể,càng chia nhỏ tính càng chínhxác nhưng sẽ mất nhiều thờigian và tài nguyên để tính toánhơn

Số 6| Gán Solution Setup

Maxwell 2D >> Analysis Setup >> Add Solution Setup >> OK

Như vậy ta đã gán xong các thông số cơ bản cần có để có thể phân tích đáp ứng của hế thống và có thể chạy phần mềm phân tích đối tượng

2.3 Chạy phần mềm và phân tích kết quả

Số 1| Kiểm tra lại và chạy phần mềm

Maxwell 2 D >> Validation Check

Khi tất cả các phần thiết kế và Setup thông số đều đạt thì ta có thể Run để phân tích

Maxwell 2D >> Analyse All

Ta chờ một lát để phần mềm tính toán và xem kết quả

Số 2| Xem kết quả

Với Maxwell chủ yếu ta xem từ trường phân bố trên vật thể như thế nào, bên cạnh

đó thì tùy thuộc vào yêu cầu từng bài toán cụ thể mà ta có các kết quả cần xem khác nhau

do đó nhìn chung ta chọn

Chọn vật thể >> Chuột phải >> Fields >> …

Chọn vật thể >> Results >> Create Quick Reports >> …

Ví dụ

H : Véc tơ từ cảm B : Véc tơ từ trường (cảm ứng từ).

Như vậy nhìn chung các bước làm vs Maxwell 2D ta có thể tóm tắt bằng sơ đồ dưới đây

Hội tụ Chia nhỏ

Vòng lặp

Cập nhật KQ Kết quả

Kết thúc

Tính toán Phân tích

Chia lưới đối tượng Đặt thông số khác

Kích thích

Đặt biên Hình dạng hình học

và thông số vật lý

Chon kiểu mô phỏng

Thiết kế Các bước tổng quát tóm tắt

II Nhập thông số vào RMxprt:

Phiên bản Ansys.Electronics.18.0.Suite.Win64-SSQ

Nhập thông số động cơ IM vào RMxpr:

1 Bấm vào biểu tượng RMxprt trên màn hình > Chọn Three-Phase Induction motor

> Bấm OK

2 Thêm thông số cho động cơ:

- Trong Project Manage > RmxprtDesign1 mở rộng ra bằng cách bấm vào dấu +

- Nháy đúp vào Machine để đặt các thông số cho động cơ > Bấm OK

- Nháy đúp vào Stato để đặt các thông số đường kính trong, đường kính ngoài,

chiều dài , vật liệu,… > Bấm OK

- Vào Slot điền các thông số rãnh > Bấm OK

- Vào Winding điền các thông số dây quấn > Bấm OK

- Nháy đúp vào Roto để điền các thông số Roto > Bấm OK

- Nháy đúp vào Slot để điền các thông số rãnh Roto > Bấm OK

- Nháy đúp vào Winding để điền các thông số, ở đây là roto lồng sóc > Bấm OK

- Nháy đúp vào Shaft để chon trục từ hay không từ > Bấm OK

3 Bấm chuột phải vào Analysis > bấm chuột trái vào Solution Setup > Điền các thông

số mô phỏng > Bấm OK

Nhập xong các thông số như sau:

4 Vào RMxprt > Bấm chọn Validation Check để kiểm tra lỗi và cảnh báo

5 Vào RMxprt > Bấm chọn Analyze All để chay mô phỏng

6 Bấm chuột phải vào Results > Creat RMxprt Report > Rectangular Plot để xem

quả quả mô phỏng (hoặc chọn Creat Quick Reports)

Chọn kết quả muốn xem: Dòng điện, hiệu suất, công suất, momen > Bấm New Report

Ta có đặc tính cơ

Trong Results > Solution data để xem chi tiết kết quả mô phỏng

Chọn các chế độ định mức, ngắn mạch, khóa roto để xem kết quả mô phỏng

III Xuất từ file RMxprt trên sang Maxwell 2D để quan sát các đặc tính quá độ, các

hình ảnh từ trường.

1 Bấm RMxprt > Analysis Setup > Creat Maxwell Design > Chọn Maxwell 2D

Design > bấm OK

2 Sau khi chạy xong mô phỏng ta được giao diện sau

3 Xem kết quả ở phần Results

Dòng điện, điện áp, mô men, tốc độ, …

4 Có thể thay đổi thời gian mô phỏng và tần suất lấy mẫu bằng cách vào Analysis > Setup1 >

IV Vẽ lại và mô phỏng động cơ IM trên bằng Maxwell 2D

IV.1 Vẽ động cơ:

Mẫu:

1 Mở phần mềm Maxwell > Ấn vào biểu tượng Maxwell 2D

2 Vẽ lồng sóc:

- Chọn vật liệu Aluminum

- Vào Draw > Use Defined Primitive > RMxprt > SquirrelCage

- Điền các thông số của lông sóc, đổi tên Sheet thành Bar > OK

- Vào Draw > Use Defined Primitive > RMxprt > Slotcore

- Điền các thông số của Rotor, đổi tên Sheet thành Rotor > OK

- Vào Draw > Use Defined Primitive > RMxprt > Band Điền các thông số của Band

- Chọn Rotor và Band, dùng lệnh Subtract để cắt nửa dưới Rotor, (không giữ lại Band sau khi cắt)

4 Vẽ Stato:

- Chọn vật liệu thép M43_29G

- Vào Draw > Use Defined Primitive > RMxprt > Slotcore

- Điền các thông số của Stato, đổi tên Sheet thành Stato > OK

- Vào Draw > Use Defined Primitive > RMxprt > Band Điền các thông số của Band

- Chọn Stato và Band, dùng lệnh Subtract để cắt nửa dưới Stato, (không giữ lại Band sau khi cắt)

5 Vẽ trục:

- Vào Draw > Use Defined Primitive > RMxprt > Band

- Điền các thông số của Band, đổi tên Sheet thành Shaft > Bấm OK

- Vào Draw > Use Defined Primitive > RMxprt > Band

Điền các thông số của Band

- Chọn Shaft và Band, dùng lệnh Subtract để cắt nửa dưới Shaft, (không giữ lại Band sau khi cắt)

5 Vẽ cuộn dây Stato:

- Vào Draw > Use Defined Primitive > RMxprt > Lapcoil

- Điền các thông số của Lapcoil, đổi tên Sheet thành Coil > Bấm OK

Ta được lớp trên của dây quấn 2 lớp

- Chọn Coil > Separate Bodies để tách thành các cuộn riêng biệt

- Vào Draw > Use Defined Primitive > RMxprt > Lapcoil

- Điền các thông số của Lapcoil, đổi tên Sheet thành CoilRe > Bấm OK

- Chọn CoilRe > Nhấn chuột phải dùng lệnh Rotate quanh trục Z, góc 700

- Chọn CoilRe > Nhấn chuột phải dùng lệnh DuplicateAroundAxis để tạo ra 36 cuộn

dây như mẫu

- Chọn các Coil và CoilRe ở nửa dưới rồi xóa đi, chỉ để lại nửa trên như mẫu.

6 Vẽ InnerRegion

- Chọn vật liệu vacuum

- Vẽ Band có thông số sau rồi đổi tên Sheet thành InnerRegion

- Vẽ Band khác với thông số sau

- Chọn InnerRegion và Band, dùng lệnh Subtract để trừ nửa dưới của InnerRegion

7 Vẽ OuterRegion

- Chọn vật liệu vacuum

- Vẽ Band có thông số sau rồi đổi tên Sheet thành OuterRegion

8 Vẽ Band: Đây chính là vùng quay

- Chọn vật liệu vacuum

- Vẽ Band có thông số sau rồi đổi tên Sheet thành Band

- Vẽ Band khác với thông số sau (Band công cụ)

- Chọn 2 Band, dùng lệnh Subtract để trừ nửa dưới của Band

Sau khi vẽ xong ta được hình sau

IV.2 Đặt các thông số động cơ:

- Vào Maxwell2D > Model > Set Model Depth > Điền 150mm

- Vào Maxwell2D > Solution Type > Chọn Transient

1 Cài đặt vùng chuyển động quay ( Model )

Chọn Band > Ấn chuột phải > AssignBand

Đặt các thông số như sau:

2 Cài đặt đường biên ( Boundaries )

- Chọn cạnh bên động cơ như ở mũi tên

Ấn chuột phải > Assign Boundary > Master

- Chọn cạnh bên động cơ như mũi tên

Ấn chuột phải > Assign Boundary > Slave

- Chọn cạnh ngoài của động cơ như hình vẽ > ấn chuột phải > Assign Boundary > VectorPotential > OK

3 Cài đặt kích thích ( Excitation ):

- Chọn các thanh Bar > ấn chuột phải > Assign Excitation > EndConnection >

Điền các thông số > OK

- Chọn các cuộn dây dòng điện đi vào của pha A > ấn chuột phải > Assign

Excitation > Coil

Chọn các cuộn dây dòng điện đi ra của pha A > ấn chuột phải > Assign Excitation > Coil

Ấn chuột phải vào Excitation > Add Winding > Điền các thông số

Nhấn chuột phải vào PhaseA > Add Coils > Chọn các cuộn dây ở trên.

Làm tương tự với PhaseB và PhaseC

4 Cài đặt phân tích ( Analysis):

Nhấn chuột phải vào Analysis > Add Solution Setup > Điền thông số > OK

5 Cài đặt lưới mô phỏng: Để tăng độ chính xác khi mô phỏng có thể chỉnh sửa cài đặt lưới Nếu không sẽ để mặc định.

6 Chạy kiểm tra và phân tích, xem kết quả mô phỏng như ở phần hướng dẫn ở phần Maxwell2D