مدلسازی میدان ایستا روتور هالباخ

View Categories

مدلسازی میدان ایستا روتور هالباخ

15 min read

PDF

مدلسازی میدان ایستا روتور هالباخ
معرفی
این مثال مدل‌سازی میدان استاتیک یک روتور مغناطیسی متمرکز بر شار بیرونی را با استفاده از آهنرباهای دائمی ارائه می‌کند، روتور مغناطیسی که به نام روتور Halbach نیز شناخته می‌شود. استفاده از آهنرباهای دائمی در دستگاه های چرخشی مانند موتورها، ژنراتورها و چرخ دنده های مغناطیسی به دلیل عملکرد بدون تماس و بدون اصطکاک آنها در حال افزایش است. این مدل نحوه محاسبه میدان مغناطیسی یک روتور جفت 4 قطبی را به صورت سه بعدی با مدل سازی تنها یک قطب منفرد روتور با استفاده از تقارن نشان می دهد.
شکل 1: تصویر یک روتور 16 قطعه ای، 4 قطبی جفت هالباخ. تقارن های مشکل اجازه می دهد مدل را به یک قطب منفرد روتور محدود کنیم.
تعریف مدل
مشکل را در فضای مدلسازی سه بعدی تنظیم کنید. به دلیل تقارن، مدل سازی تک قطبی روتور کافی است. شکل 1 نمای سه بعدی از روتور کامل را با جهت مغناطیسی آهنرباها نشان می دهد. فلش های سیاه جهت مغناطش شعاعی و محوری آهنرباهای دائمی در روتور را نشان می دهد. آهنرباهای دائمی به گونه ای چیده شده اند که چگالی شار مغناطیسی در داخل روتور به حداقل رسیده و در خارج از روتور به حداکثر برسد. این مدل از 16 قطعه آهنربای دائمی تشکیل شده است که یک روتور جفت 4 قطبی را تشکیل می دهند. شعاع روتور داخلی و خارجی به ترتیب 30 میلی متر و 50 میلی متر است. طول محوری روتور 30 ​​میلی متر است.
نتایج و بحث
یک تحلیل مطالعه حالت پایدار برای محاسبه میدان های مغناطیسی روتور هالباخ ​​انجام می شود. چگالی شار مغناطیسی در شکل 2 نشان داده شده است .
شکل 3 و شکل 4 تغییرات چگالی شار مغناطیسی شعاعی و آزیموتال را به عنوان تابعی از زاویه روتور نشان می دهند. هنجار چگالی شار مغناطیسی در خارج از روتور Halbach در فاصله شعاعی 55 میلی متر از مرکز ارزیابی می شود.
در نهایت، شکل 5 و شکل 6 نمودارهای قطبی هنجار چگالی شار مغناطیسی را در فواصل شعاعی از مرکز روتور به ترتیب 55 میلی متر و 25 میلی متر نشان می دهند.
شکل 2: هنجار چگالی شار مغناطیسی در سطح مقطع روتور هالباخ ​​(در z  = 0 میلی متر).
شکل 3: چگالی شار مغناطیسی شعاعی به عنوان تابعی از زاویه روتور اندازه گیری شده در فاصله شعاعی 55 میلی متر از مرکز روتور.
شکل 4: چگالی شار مغناطیسی آزیموتال به عنوان تابعی از زاویه روتور که در فاصله شعاعی 25 میلی متر از مرکز روتور اندازه گیری می شود.
شکل 5: نمودار قطبی هنجار چگالی شار مغناطیسی در فاصله شعاعی 55 میلی متر از مرکز روتور.
شکل 6: نمودار قطبی هنجار چگالی شار مغناطیسی در فاصله شعاعی 25 میلی متر از مرکز روتور.
مسیر کتابخانه برنامه: ACDC_Module/Introductory_Magnetostatics/static_field_halbach_rotor_3d
دستورالعمل مدلسازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی  Model  Wizard کلیک کنید .
مدل جادوگر
1
در پنجره Model  Wizard ، روی  3D کلیک کنید .
2
در درخت Select  Physics ، AC/DC>Electromagnetic  Fields>Magnetic  Fields  (mf) را انتخاب کنید .
3
روی افزودن کلیک کنید .
4
 روی مطالعه کلیک کنید .
5
در درخت انتخاب  مطالعه ، General  Studies>Stationary را انتخاب کنید .
6
 روی Done کلیک کنید .
هندسه 1
دنباله هندسی را از فایل static_field_halbach_rotor_3d_geom_sequence.mph وارد کنید .
1
در نوار ابزار Geometry ، روی Insert  Sequence کلیک کنید و Insert  Sequence را انتخاب کنید .
2
به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل static_field_halbach_rotor_3d_geom_sequence.mph دوبار کلیک کنید .
3
در نوار ابزار Geometry ، روی  ساختن  همه کلیک کنید .
4
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
5
 روی دکمه Wireframe  Rendering در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
انتخابی برای آهنرباها تعریف کنید.
تعاریف
آهنرباها
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Explicit کلیک کنید .
2
فقط دامنه های 2-4 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای Explicit ، Magnets را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید .
سیستم استوانه ای 2 (sys2)
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Coordinate  Systems کلیک کنید و سیستم استوانه ای  را انتخاب کنید .
با استفاده از ویژگی Vector Transform متغیرهایی را برای چگالی شار مغناطیسی شعاعی و آزیموتال تعریف کنید.
2
 روی دکمه Show  More  Options در نوار ابزار Model Builder کلیک کنید .
3
در کادر محاوره‌ای Show  More  Options ، در درخت، کادر را برای گره General>Variable  Utilities انتخاب کنید .
4
روی OK کلیک کنید .
تبدیل برداری 1 (vectr1)
1
در نوار ابزار Definitions ، بر روی  Variable  Utilities کلیک کنید و Vector  Transform را انتخاب کنید .
2
در پنجره Settings برای Vector  Transform ، B_cyl را در قسمت متن Name تایپ کنید .
3
تمام دامنه ها را پاک کنید.
4
 روی دکمه Select  All در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
5
روی Replace  Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Input کلیک کنید . از منو، Component   (comp1)>Magnetic  Fields>Magnetic>Magnetic  flux  density>mf.B  –  Magnetic  flux  density  –  T را انتخاب کنید .
6
قسمت Output را پیدا کنید . از لیست سیستم مختصات  ، سیستم استوانه ای (sys2) را انتخاب کنید .
7
قسمت Transform  Settings را پیدا کنید . از لیست Transform  as ، Flux  vector را انتخاب کنید .
مشاهده 1
برای مشاهده نتایج فقط در قسمت داخلی دامنه مدل، چند مرز را پنهان کنید.
پنهان کردن برای فیزیک 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی View  1 کلیک راست کرده و Hide  for  Physics را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای پنهان کردن  فیزیک  ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی  را پیدا کنید .
3
از لیست سطح نهاد هندسی  ، Boundary را انتخاب کنید .
4
فقط مرزهای 1، 2 و 4 را انتخاب کنید.
میدان های مغناطیسی (MF)
اکنون، فیزیک میدان های مغناطیسی را تنظیم کنید . با استفاده از ویژگی خاص، آهنرباهای دائمی را مدل کنید.
آهنربا 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Magnetic  Fields  (mf) کلیک راست کرده و Magnet را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای مگنت ، قسمت انتخاب دامنه  را پیدا کنید .
3
از لیست Selection ، Magnets را انتخاب کنید .
4
قسمت Magnet را پیدا کنید . از لیست روش جهت  ، گزینه Specify by domains را انتخاب کنید .
جهت دامنه 2
در نوار ابزار Physics ، روی  Attributes کلیک کنید و Domain  Direction را انتخاب کنید .
آهنربا، مغناطیسی مماس
1
در پنجره Model  Builder ، گره Component   (comp1)>Magnetic  Fields  (mf)>Magnet  1>Domain  Direction  1 را گسترش دهید ، سپس روی Component   (comp1)>Magnetic  Fields  (mf)>Magnet  1>Domain  Direction  2 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Domain  Direction ، قسمت Domain  Selection را پیدا کنید .
3
 روی Clear  Selection کلیک کنید .
4
فقط دامنه 3 را انتخاب کنید.
5
در قسمت نوشتار Label ، Magnet، Tangentially Magnetized را تایپ کنید .
شمال 1
1
در پنجره Model  Builder ، گره Magnet،  Tangentially  Magnetized را گسترش دهید ، سپس روی North  1 کلیک کنید .
2
فقط مرز 10 را انتخاب کنید.
جنوبی 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی South  1 کلیک کنید .
2
فقط مرز 15 را انتخاب کنید.
آهنربا، شعاعی مغناطیسی
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Magnetic  Fields  (mf)>Magnet  1 روی Domain  Direction  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای جهت دامنه  ، Magnet، Radially Magnetized را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید .
شمال 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی North  1 کلیک کنید .
2
فقط مرزهای 14 و 19 را انتخاب کنید.
جنوبی 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی South  1 کلیک کنید .
2
فقط مرزهای 5 و 22 را انتخاب کنید.
مواد را اضافه کنید
1
در نوار ابزار Home ، روی  Add  Material کلیک کنید تا پنجره Add  Material باز شود .
2
به پنجره Add  Material بروید .
3
در درخت، Built-in>Air را انتخاب کنید .
4
کلیک راست کرده و Add  to  Component   (comp1) را انتخاب کنید .
5
در درخت، AC/DC>Hard  Magnetic  Materials>Sintered  NdFeB  Grades  (استاندارد چینی  )>N50  (Sintered  NdFeB) را انتخاب کنید .
6
کلیک راست کرده و Add  to  Component   (comp1) را انتخاب کنید .
7
در نوار ابزار Home ، روی  Add  Material کلیک کنید تا پنجره Add  Material بسته شود .
مواد
N50 (Sintered NdFeB) (mat2)
1
در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی  را پیدا کنید .
2
از لیست Selection ، Magnets را انتخاب کنید .
مش 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Mesh  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات مش ، قسمت Physics-Controlled  Mesh را پیدا کنید .
3
از لیست اندازه عنصر  ، درشت را انتخاب کنید .
سایز 1
1
روی Component   (comp1)>Mesh  کلیک راست کرده و Size را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی  را پیدا کنید .
3
از لیست سطح نهاد هندسی  ، دامنه را انتخاب کنید .
4
از لیست Selection ، Magnets را انتخاب کنید .
5
بخش اندازه عنصر  را پیدا کنید . از لیست Predefined ، Fine را انتخاب کنید .
روی منحنی هایی که قرار است چگالی شار مغناطیسی ارزیابی شود، یک مش بسیار ریز مشخص کنید. این به دستیابی به منحنی صاف برای چگالی شار مغناطیسی کمک می کند.
سایز ۲
1
در پنجره Model  Builder ، روی Mesh  1 کلیک راست کرده و Size را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی  را پیدا کنید .
3
از لیست سطح موجودیت هندسی  ، Edge را انتخاب کنید .
4
فقط لبه های 6 و 31 را انتخاب کنید.
5
بخش اندازه عنصر  را پیدا کنید . روی دکمه Custom کلیک کنید .
6
قسمت پارامترهای اندازه عنصر  را پیدا کنید .
7
کادر انتخاب حداکثر  اندازه عنصر را  انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، 0.5 را تایپ کنید .
چهار وجهی رایگان 1
1
در نوار ابزار Mesh ، روی  Free  Tetrahedral کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Free  Tetrahedral ، روی  Build  All کلیک کنید .
مش را با شکل زیر مقایسه کنید.
مطالعه 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Study  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، قسمت تنظیمات مطالعه  را پیدا کنید .
3
تیک Generate  defaults defaults را  پاک کنید .
4
در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید .
نتایج
از مجموعه داده Sector 3D برای تولید یک مجموعه داده سه بعدی برای مدل سه بعدی کامل از نتایج تک قطبی استفاده کنید.
بخش 3 بعدی 1
1
در پنجره Model  Builder ، گره Results را گسترش دهید .
2
روی Results>Datasets کلیک راست کرده و More  3D  Datasets>Sector  3D را انتخاب کنید .
3
در پنجره Settings برای Sector  3D ، بخش Symmetry را پیدا کنید .
4
در قسمت متنی Number  of  Sectors ، 8 را تایپ کنید .
5
از لیست Transformation ، چرخش  و  بازتاب را انتخاب کنید .
6
برای گسترش بخش Advanced کلیک کنید . تیک Define  variables را انتخاب کنید .
شماره Sector بعداً برای بدست آوردن عبارت مناسب برای B_cyl.vphi در شکل 4 استفاده خواهد شد .
سپس، دایره هایی بسازید تا چگالی شار مغناطیسی را در داخل و خارج روتور هالباخ ​​تجسم کنید.
منحنی پارامتری 3 بعدی 1
1
در نوار ابزار Results ، روی  More  Datasets کلیک کنید و Parameterized  Curve  3D را انتخاب کنید .
2
در پنجره Settings برای Parameterized  Curve  3D ، بخش Data را پیدا کنید .
3
از لیست Dataset ، Sector  3D  1 را انتخاب کنید .
4
قسمت Parameter را پیدا کنید . در قسمت متن نام ، phi را تایپ کنید .
5
در قسمت Maximum text 2*pi را تایپ کنید .
6
قسمت Expressions را پیدا کنید . در قسمت متن x ، 55*cos(phi) را تایپ کنید .
7
در قسمت متن y ، 55*sin(phi) را تایپ کنید .
منحنی پارامتری 3 بعدی 2
1
در نوار ابزار Results ، روی  More  Datasets کلیک کنید و Parameterized  Curve  3D را انتخاب کنید .
2
در پنجره Settings برای Parameterized  Curve  3D ، بخش Data را پیدا کنید .
3
از لیست Dataset ، Sector  3D  1 را انتخاب کنید .
4
قسمت Parameter را پیدا کنید . در قسمت متن نام ، phi را تایپ کنید .
5
در قسمت Maximum text 2*pi را تایپ کنید .
6
قسمت Expressions را پیدا کنید . در قسمت متن x ، 25*cos(phi) را تایپ کنید .
7
در قسمت متن y ، 25*sin(phi) را تایپ کنید .
از دستورالعمل های زیر برای بازتولید نمودار نشان داده شده در شکل 2 استفاده کنید .
میدان B
1
در نوار ابزار نتایج ، روی  3D  Plot  Group کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای گروه طرح سه بعدی  ، فیلد B را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید .
3
قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، Sector  3D  1 را انتخاب کنید .
برش 1
1
روی B  Field کلیک راست کرده و Slice را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Slice ، بخش Plane  Data را پیدا کنید .
3
از لیست Plane ، xy-planes را انتخاب کنید .
4
در قسمت متن Planes ، 1 را تایپ کنید .
5
در نوار ابزار B Field ، روی  Plot کلیک کنید .
فلش جلد 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی  Field کلیک راست کرده و Arrow  Volume را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای حجم پیکان  ، بخش موقعیت یابی پیکان را پیدا کنید .
3
زیربخش نقاط شبکه ای x  را پیدا کنید . در قسمت متنی Points عدد 60 را تایپ کنید .
4
زیربخش نقاط شبکه ای y  را پیدا کنید . در قسمت متنی Points عدد 60 را تایپ کنید .
5
زیربخش نقاط شبکه  را پیدا کنید . در قسمت متنی Points ، 1 را تایپ کنید .
6
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید . از لیست رنگ ، سیاه را انتخاب کنید .
7
در نوار ابزار B Field ، روی  Plot کلیک کنید .
8
 روی دکمه Go  to  XY  View در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
سپس نموداری برای چگالی شار مغناطیسی شعاعی خارج از روتور هالباخ ​​ایجاد کنید. نتیجه را با شکل 3 مقایسه کنید .
Br در مقابل فی
1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add  Plot  Group کلیک کنید و 1D  Plot  Group را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی  ، Br vs. phi را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید .
3
قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، منحنی پارامتری  3D 1 را انتخاب کنید .
4
قسمت Plot  Settings را پیدا کنید .
5
چک باکس x-axis  label را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Angle (rad) را تایپ کنید .
نمودار خطی 1
1
روی Br  vs.  phi کلیک راست کرده و Line  Graph را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای نمودار خط  ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component (comp1)>Definitions>Vector Transform (B_cyl)>Transformed Vector – T>B_cyl.vr – Transformed vector, r-component را انتخاب کنید .
3
قسمت x-Axis  Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید .
4
در قسمت Expression text، phi را تایپ کنید .
5
قسمت y-Axis  Data را پیدا کنید .
6
چک باکس Description را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، چگالی شار مغناطیسی، r component را تایپ کنید .
7
در نوار ابزار Br vs. phi ، روی  Plot کلیک کنید .
نمودار چگالی شار مغناطیسی آزیموتال را همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است ایجاد کنید .
Bphi در مقابل فی
1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add  Plot  Group کلیک کنید و 1D  Plot  Group را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی  ، Bphi vs. ph را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید .
3
قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، منحنی پارامتری  3D 1 را انتخاب کنید .
4
قسمت Plot  Settings را پیدا کنید .
5
چک باکس x-axis  label را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Angle (rad) را تایپ کنید .
نمودار خطی 1
1
روی Bphi  vs.  phi کلیک راست کرده و Line  Graph را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای نمودار خط  ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component (comp1)>Definitions>Vector Transform (B_cyl)>Transformed Vector – T>B_cyl.vphi – Transformed vector, phi-component را انتخاب کنید .
3
قسمت y-Axis  Data را پیدا کنید . در قسمت متن Expression ، B_cyl.vphi*(1-2*mod(sec1number,2)) را تایپ کنید .
4
چک باکس Description را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، چگالی شار مغناطیسی، جزء فی را تایپ کنید .
5
قسمت x-Axis  Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید .
6
در قسمت Expression text، phi را تایپ کنید .
7
در نوار ابزار Bphi vs. phi ، روی  Plot کلیک کنید .
در اینجا، عبارت B_cyl.vphi*(1-2*mod(sec1number,2)) شاید نیاز به توضیح بیشتری داشته باشد: بخش‌های زوج روتور در جهت فی نسبت به قسمت‌های فرد منعکس می‌شوند. مجموعه داده اصلی حاوی مقادیر B_cyl.vphi فقط برای یک بخش فرد است. عبارت تصحیح اضافه شده از عملگر مدول استفاده می کند. در هر بخش دیگر بین +1 و -1 تلنگر خواهد شد .
دلیل اینکه Arrow Volume 1 به چنین دستکاری داده ای نیاز ندارد، این است که ورودی خود ( mf.Bx ، mf.By ، mf.Bz ) را یک فیلد برداری در نظر می گیرد و می تواند خود تبدیل را اعمال کند. از طرف دیگر نمودار خط 1 به هیچ وجه قادر نیست ورودی خود را به یک “جهت” خاص مرتبط کند. بنابراین B_cyl.vphi را یک اسکالر در نظر می گیرد.
سپس نمودار قطبی هنجار چگالی شار مغناطیسی را در فاصله 55 میلی متری از مرکز روتور ایجاد کنید.
normB در مقابل phi در r=55 میلی متر
1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add  Plot  Group کلیک کنید و Polar  Plot  Group را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای گروه پلات قطبی  ، normB vs. phi را با r=55 میلی متر در قسمت نوشتار Label تایپ کنید .
3
قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، منحنی پارامتری  3D 1 را انتخاب کنید .
4
قسمت Axis را پیدا کنید . تیک گزینه Manual  axis  limits را انتخاب کنید .
5
در قسمت حداکثر متن r ،  0.56 را تایپ کنید .
نمودار خطی 1
1
روی normB  در مقابل  phi  در  r=55  میلی متر کلیک راست کرده و Line  Graph را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای نمودار خط  ، قسمت θ Angle Data را پیدا کنید .
3
از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید .
4
در قسمت Expression text، phi را تایپ کنید .
5
در نوار ابزار normB vs. phi در r=55 mm ، روی  Plot کلیک کنید .
در نهایت، نمودار هنجار چگالی شار مغناطیسی را در فاصله 25 میلی متری از مرکز روتور بازتولید کنید.
normB در مقابل phi در r=25 میلی متر
1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add  Plot  Group کلیک کنید و Polar  Plot  Group را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای گروه پلات قطبی  ، normB vs. phi را با r=25 میلی متر در قسمت نوشتار Label تایپ کنید .
3
قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، گزینه Parameterized  Curve  3D  2 را انتخاب کنید .
4
قسمت Axis را پیدا کنید . تیک گزینه Manual  axis  limits را انتخاب کنید .
5
در قسمت حداکثر متن r ،  0.12 را تایپ کنید .
نمودار خطی 1
1
روی normB  در مقابل  phi  در  r=25  میلی متر کلیک راست کرده و Line  Graph را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای نمودار خط  ، قسمت θ Angle Data را پیدا کنید .
3
از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید .
4
در قسمت Expression text، phi را تایپ کنید .
5
در نوار ابزار normB در مقابل phi در r=25 mm ، روی  Plot کلیک کنید .
این شکل را با شکل 6 مقایسه کنید .