ANSYS低压电器设计解决方案
01
技术挑战
低压电器概述
电磁式电器的结构
- 电磁机构：作动器
- 执行机构
- 灭弧系统
作动器的发展方向
- 精简化、智能化、通用化，高效率
- 小型化，高可靠性
低压电器所关注的问题
电磁设计
- 电磁优化设计
> 吸合性能、吸合时间
- 部件和系统集成化设计
结构设计
- 强度和刚度
- 寿命、振动和噪声
流体设计
- 发热与散热
- 灭弧效果
作动器设计挑战
技术挑战
企业挑战
设计挑战
02
解决方案
ANSYS集成化设计解决方案
ANSYS技术优势
方案全面：解决低压电器的诸多设计难题
- 从部件到系统
- 从单领域到多领域
- 从单物理场到多物理场
- 多场耦合优化设计：提高性价比
工具先进
- 相关设计工具为业界领先
- 完整的设计解决方案为业界独有
作动器电磁优化设计
- 项目背景
这个项目是ANSYS和TRW合作完成，主要采用ANSYS作动器设计解决方案和流程帮助客户设计和优化产品，包括形状、体积、作用力、闭合时间，以及系统性能等。
- 项目挑战
如何精确预测作动器的瞬态电磁特性，并优化其形状、材料、绕组等，满足电磁力要求的同时最大限度减小闭合时间和体积、成本，至关重要。
- 解决方案
基于ANSYS设计流程，采用Maxwell实现作动器瞬态优化设计，结合Mechanical实现电磁、热、结构耦合设计；结合Fluent实现流体负载力计算；结合Simplorer和Fluent实现系统设计。
- 重要价值
正如TRW的工程师Dave Collins所言，ANSYS解决方案可以帮助客户全面、深入地研究设计参数对作动器瞬态电磁特性的相互影响，便捷地优选出最佳性价比的设计方案，精确预测产品电磁、热、结构、控制性能，缩短研发周期、提高产品竞争力。
作动器电磁、热、流体耦合设计
- 项目背景
这个项目是ANSYS和Nass Magnet合作完成。主要采用ANSYS作动器设计流程帮助客户实现电磁优化设计、高效热分析、系统性能预测等。
- 项目挑战
如何在有限的研发时间内，高效、便捷地预测作动器的热性能和系统性能，至关重要。
- 解决方案
采用Maxwell实现作动器优化设计，结合Fluent精确计算散热系数，并用于Mechanical电磁、热耦合分析，实现便捷、高效、精确的电磁、热耦合分析；结合Fluent和Simplorer协同仿真，实现高精度系统设计。
- 重要价值
ANSYS解决方案既可帮助客户便捷地优化瞬态电磁性能，又可实现全面的多物理域耦合分析，还可根据客户不同设计阶段的具体需求探索最佳的设计方法和流程，精确预测产品性能的同时，缩短研发周期、提高产品竞争力。
作动器集成化系统设计
03
应用
有限元仿真基本流程
电磁设计——静态、瞬态电磁性能优化
集成化电磁设计环境
Ansoft桌面在多个平台上保持一致（Maxwell、ePhysics、HFSS、Simpler V8等）。不同的设计类型共存于同一个项目中，这允许不同模拟类型之间的无缝设计流。还显示了一些用于确定设备尺寸或计算线圈性能的设计变量。
二维和三维模型共存，copy/粘贴对象时，与这些对象关联的变量跟随对象，从而增强了copy对象的能力。
参数化建模
Maxwell具有强大的参数化建模功能
- 线圈参数定义成线规的函数
- 基于线圈尺寸自动计算匝数和电阻
设置这些参数扫描以将模拟与测量进行比较。我们测量了：
- 力与间隙（特定电流下）
- 力与电流（特定间隙处）
材料建模功能
Maxwell具有强大的开放式材料库
- 支持非线性铁磁材料建模和仿真
- 支持永磁体充磁和退磁分析
- 支持磁滞材料建模和仿真
虽然模拟和测量之间的相关性很好，但在较高的电流和/或较小的间隙处开始出现轻微偏差。这自然要求我们仔细观察BH曲线以及它与受试材料的关系。
功能强大的求解功能
瞬态场求解器
- 不同形式的运动
- 涡流效应计算
- 任意类型的激励
现在让我们从静态模拟力转移到实际的瞬态模型，该模型包括运动、涡流效应、电驱动电路和负载。将解决方案类型从“静磁”更改为“瞬态”后，我们可以为运动设置输入数据。我们还可以指定要考虑涡流效应的对象。
我们用我们的设计变量指定了一个电压源，用于匝数、线圈电阻和电压。请注意，磁扩散会影响力的累积，而力的累积只能发生在磁通累积之后。磁扩散是L/R时间常数的函数（激励频率-这里有点不同，因为我们有一个阶跃电压输入和产生的L/R电流上升），磁性材料的电导率，材料的磁导率（设备开始饱和时是非线性的，是时间的函数）和设备的物理尺寸。
场路耦合控制系统
不同的电路连接形式
- 可以和Maxwell外电路直接耦合仿真，能够分析更复杂的控制特性，
- 可以直接与Simplorer联合，实现复杂的控制算法
此外，可以通过直接耦合到FEA解决方案的外部定义电路来控制励磁。该电路包括线圈端子之间的齐纳二极管。这两个子电路控制开关的定时。该电路是装置的滞后电流控制，一旦装置关闭，将保持电流在预定义的上下电流值。这允许设备在较低的功率水平下保持关闭，并防止线圈过热。
控制分析案例
电流斩波控制
通过与位置曲线（红色）相对应的电流波形（蓝色）中的反电动势下降，可以清楚地看到执行器的关闭。齐纳二极管电流也显示为绿色。
注意，滞后控制将电流保持在控制电路规定的上限和下限范围内。我们还能够指定电路中使用的时间步，独立于FEA时间步，这确保我们捕获迟滞控制的切换瞬间，而不超过或低于电流限制。
参数化和优化设计案例：电磁力优化
作动器究竟采用什么磁极形状才能更好的满足电磁力需求？
- 满足弹簧的特性曲线
通过在“设计特性”窗口中检查模型中存在的变量，可以选择这些变量进行优化。上图中列出并显示了此优化中使用的变量。
- 支持多种优化算法
创建新的优化：选择优化类型–此处的列表显示可用的优化类型。在线帮助中有对这些内容的描述，它与我们的应用工程师一起可以为选择使用哪种工具提供一些指导。
通常，我们使用优化来满足成本函数。可以创建一个成本函数来满足电感、力或场值等。此处还显示了带有4个变量的窗口，并指定了最小/最大值。
- 成本函数寻优
以上是模拟结果。成本与迭代的关系图显示了优化的结果。当我们对结果表进行排序时，我们可以选择最低的成本值并找到赢家。
注意：此模拟作为2D分析执行，并解决了50次迭代。每种溶液约需50秒，因此总溶解时间不超过45分钟。这可以在三维模型上执行，但求解时间显然会更长–这将是使用分布式求解的一个很好的候选者。
在本例中，优胜者的设计被导出到此处显示的三维模型中。
- 偏心造成的侧向力
不同形式的偏心
- 侧向力与偏移程度的关系曲线
- 侧向力与偏移大小和衔铁间隙的关系曲线
- 衔铁扭矩与衔铁倾斜角度的关系曲线
结构设计——结构、强度、模态分析
典型应用
启动工况结构强度分析
- 项目描述
分析作动器在启动工况和最大行程工况时的结构强度及其固有频率
- 解决方案
采用Ansys Mechanical软件分析作动器两种工况下的结构强度及固有频率
最大行程工况结构强度分析
作动器启动工况时的结构分析，最大位移为0.412mm，最大应力为264.35Mpa
最大行程工况模态分析
通过模态分析，可以固有频率：
一阶：28.136Hz
二阶：43.26Hz
三阶：94.279Hz
四阶：102.54Hz
五阶：133.55Hz
六阶：163.72Hz
多物理场耦合设计
电磁场-结构场耦合分析
基于Workbench的电磁力映射流程
电磁场-温度场计算
基于Workbench的损耗映射流程
低压开关电弧仿真（点击查看视频）
- 计算电弧引起的空间磁场分布
- Maxwell/FLUENT 耦合
电弧是气体的电气击穿，产生持续的等离子体放电，这是由于电流通过通常不导电的介质（如空气）而产生的。两个金属棒之间的等离子，涉及流体运动和电磁学的耦合。
低压开关电弧仿真流程
注：标准麦克斯韦映射功能用于将麦克斯韦量映射到Fluent网格UDF用于将Fluent网格的电导率映射到Maxwell网格
- RBF Morph/ MDM approach in
04
总结
针对低压开关所关注的问题和设计挑战，ANSYS提供了产品完备且技术领先的低压开关设计解决方案，帮助企业高效解决自身的产品优化和工程化研发问题。
ANSYS解决方案独有的、业界领先的竞争优势有利于企业便捷、高效、高精度、全面地预测和改进低压开关性能，实现从电磁到多物理场耦合设计、从部件到系统集成化设计。
ANSYS是全球唯一一家能够提供如此完备且先进的解决方案的软件开发商和供应商，代表着业界最高技术水平。ANSYS在全球低压开关行业拥有诸多知名客户和无数产品使用者，市场占有率和用户口碑在业界遥遥领先。
