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ANSYSMetodi numerici ed esempi di soluzione di problemi elettromagnetici nella piattaforma ANSYS
Le tematiche elettromagnetiche relative ai seguenti dispositivi:
sono ad oggi interamente risolte con l’ausilio dei software della famiglia Ansoft (Maxwell, Simplorer, RMxprt, PExprt, Q3D Extractor); a valore aggiunto rispetto ad altri codici di mercato la recente integrazione dei suddetti prodotti nell’ambiente multidisciplinare Ansys Workbench ne consente un’analisi non limitata agli aspetti meramente elettromagnetici quali:
ma, unici sul mercato, essi sono in grado di declinare la soluzione nella determinazione del comportamento strutturale dovuto ai carichi termici e alle forze sviluppate durante il funzionamento delle macchine elettriche descritte. Nel seguito, dopo una breve introduzione di carattere teorico, si descrivono sinteticamente le potenzialità di tali software, specificandone, in detta sessione, l’ambito delle analisi in bassa frequenza. Tutti i problemi elettromagnetici comportano la soluzione delle equazioni di Maxwell sotto un insieme opportuno di condizioni al contorno. L’implementazione numerica di tale schema avviene attraverso l'uso di metodi matematici diversi: FEM (Finite Element Method), FEFD (Finite Element in Frequency Domain), FDTD (Finite Difference in Time Domain), MOM (Method Of Moment), CM (Cell Method), etc… L’esistenza e l'uso corrente di tanti metodi matematici sono giustificati dal fatto che ad oggi non esiste un approccio numerico universalmente efficiente alla soluzione dei problemi elettromagnetici. Conviene perciò classificare i problemi in funzione della loro facoltà di essere risolti con metodi e strumenti software concreti. In questo articolo la nostra attenzione sarà particolarmente rivolta al parco di soluzioni ANSYS. I campi elettromagnetici si propagano nel vuoto e nella materia, pur con le dovute attenuazioni, all'infinito; tuttavia un calcolo accurato dei campi in prossimità delle sorgenti permette di estendere la soluzione ottenuta (campo vicino) a grandi distanze da esse (campi intermedio e lontano). Il maggior onere computazionale è dunque legato al calcolo del campo vicino. Una grandezza fisica per operare una schematizzazione significativa è la frequenza del campo elettromagnetico. Poiché i campi elettromagnetici si propagano nel vuoto alla velocità della luce, è agevole ottenere la lunghezza d'onda associata ad una data frequenza tramite la relazione:
ove λ è la lunghezza d'onda, c = 3*108 m/s è la velocità della luce e v è la frequenza. I Prodotti ANSOFT
Da circa 2 anni il pacchetto di prodotti di casa ANSYS si è arricchito dei software Ansoft.
La tecnica della cosimulazione, implementata nei prodotti Ansoft, consente in particolare di simulare all’interno dello stesso ambiente di lavoro schemi circuitali accoppiati a modelli agli elementi finiti (Figura 2). Il fulcro di questo tipo di applicazioni è la tecnologia Simplorer.
Le nuove soluzioni software di Ansoft affiancano EMAG, il tradizionale prodotto per le analisi elettromagnetiche in ANSYS, rafforzandone le potenzialità in ambito multi fisico e introducendo una serie di verticalizzazioni e customizzazioni su specifiche tipologie di prodotti.
Maxwell2D/3D
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| Figura 3; Alcune applicazioni in Maxwell 3D: campo di induzione magnetica valutato mediante analisi transient su un motore elettrico (a); perdite ohmiche valutate sul primario e sul secondario di un trasformatore elettrico (b) |
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| Figura 4; Come lavora l’algoritmo di mesh auto adattiva: diagramma a blocchi (a); mesh al primo ed all’ultimo passo di convergenza (b) |
Fin dalla prima release, Maxwell utilizza tecniche di meshatura auto-adattive che consentono di ottenere un ottimo compromesso tra onere computazionale della simulazione, dovuto al numero di elementi necessari a discretizzare una struttura, e accuratezza della soluzione proposta. Basati su criteri energetici, tali algoritmi creano e raffinano la mesh laddove il modello presenta delle zone critiche assicurando la convergenza della soluzione. In Figura 4 il metodo di mesh auto adattivo viene sintetizzato con un diagramma a blocchi. E’ mostrato inoltre, su un modello 3D, la mesh prodotta al primo ed all’ultimo passo di convergenza.(b).
Maxwell permette, in funzione del solutore utilizzato, la determinazione accurata delle forze e delle coppie, dei valori di capacità, di induttanza, di resistenza e di impedenza. il software consente altresì di valutare agevolmente alcune grandezze di indubbia importanza in ambito industriale quali correnti parassite, perdite ohmiche e nel ferro.
Maxwell ha un potente tool integrato per la modellazione circuitale: Maxwell Circuit Editor. Questo strumento consente di accoppiare al solutore transient di Maxwell, i modelli circuitali che schematizzano l’alimentazione o il carico.
Nell’ultima release del programma è stato velocizzato il tempo di soluzione del solutore transient. In Figura 5 un test-case effettuato al riguardo.
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| Figura 5; Tempi di soluzione del solutore transient di Maxwell12 e di Maxwell13. In (a) un motore elettrico asincrono trifase, in (b) un attuatore. Il test è stato effettuato su DELL Dual Processors, 3GHz, 8GB RAM WXP 64-bit OS |
Potremmo riassumere le principali caratteristiche di Maxwell nei seguenti punti:
- Lettura dei principali formati geometrici (neutri e proprietari) grazie all’interfaccia AnsoftLink
- Mesh auto-adattiva
- Accoppiamento in transitorio temporale a modelli circuitali.
- Generazione di circuiti equivalenti.
- Accoppiamento in transitorio temporale ai moti di corpo rigido.
- Materiali lineari e non lineari, isotropi ed anisotropi, laminati.
- Rapida ed efficace valutazione delle perdite nel ferro sia per isteresi che per eddy-current.
- Potenzialità in ambito multi fisico grazie all’intergrazione in ANSYSWB.
L’accoppiamento Maxwell-ANSYS per le analisi multifisiche
La soluzione calcolata in Maxwell2D e 3D può essere utilizzata come boundary condition per il solutore termico e strutturale di ANSYS.
In maniera completamente automatizzata, e senza bisogno di implementare script esterni, è infatti possibile eseguire analisi termiche 2-way fra Maxwell e ANSYS thermal. Maxwell rende disponibili le perdite di potenza per i modelli di ANSYS e legge le temperature output dell’analisi termica, per ricalcolare la soluzione elettromagnetica.
L’esportazione delle perdite di potenza avviene da modelli 2D e 3D di Maxwell verso i solutori statici e transient di ANSYS.
In Figura6 viene riportato un esempio di quanto detto: le perdite di potenza nel ferro calcolate da Maxwell2D sono mappate sulla geometria 3D in ANSYS.
Per quanto riguarda l’analisi transient, possono essere trasferite le perdite valutate su singoli istanti o come media calcolata su un intervallo temporale opportuno.
Sia il modello 2D di Maxwell che la geometria 3D utilizzati in figura 6 sono stati creati a partire dal modello parametrico di RMxprt.
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| Figura 6; Le perdite di potenza nel ferro calcolate da Maxwell2D(a) sono mappate sul modello termico 3D di ANSYS (b) per valutare le temperature (c) |
Per quanto riguarda le analisi strutturali sia la densità di forza volumetrica che le forze superficiali magnetiche calcolate dal solutore di Maxwell possono essere importate dal modello strutturale di ANSYS.In figura 7 la densità di forza volumetrica calcolata da Maxwell 3D è mappata sul modello strutturale di ANSYS, come boundary comdition, per una successiva analisi strutturale.
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| Figura 7; La densità di forza volumetrica calcolata da Maxwell 3D è mappata sul modello strutturale di ANSYS . In (a) la mesh in Maxewll 3D dello statore, in (b) le forze mappate sul modello dello statore in ANSYS. |
Come accennato precedentemente, l’accoppiamento multifisico descritto non richiede l’utilizzo di script esterni o macro, poichè la procedura è implementata completamente dalle interfacce di Maxwell e ANSYSWB.
Inoltre le mesh di ANSYS e Maxwell sono indipendenti.
RMxprt 
Nell’ambito della progettazione di macchine rotanti, a Maxwell si affianca, condividendone l’interfaccia, uno strumento dedicato: RMxprt.
Utilizzando la teoria classica delle macchine elettriche ed il concetto di circuito equivalente RMxprt fornisce istantaneamente, fornendo le principali caratteristiche, il comportamento della macchina nelle diverse alternative progettuali.
RMxprt ha una semplice interfaccia grafica per inserire i parametri progettuali relativi alla geometria di rotore e statore, ai settings degli avvolgimenti e alle caratteristiche dei materiali. In Figura 8 è mostrata l’interfaccia di RMxprt. Il motore rappresentato è un asincrono trifase.
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| Figura 8; Alcune applicazioni dell’interfaccia di RMxprt |
RMxprt consente di analizzare in modo esaustivo una vasta gamma di motori elettrici: macchine sincrone ed asincrone, macchine con commutazione a spazzola ed elettronica ed alternatori.
La release 13 di RMxprt, ultima nata in casa Ansoft, presenta inoltre un nuovo slot editor che permette al progettista la modellazione della geometria di qualsiasi tipo di slot.
RMxprt considera gli effetti pelle ed alcuni effetti 3D, come le geometrie delle teste di matassa e l’inclinazione delle cave. Vengono inoltre considerati nel calcolo gli effetti della saturazione del ferro.
Le elevate potenzialità del software sono completate con un ottimizzatore integrato: Optimetrics, che consente la valutazione istantanea di diverse configurazioni di parametri, per individuare quella che permette il raggiungimento degli obbiettivi progettuali imposti, nel rispetto dei vincoli.
La verticalizzazione RMxprt-Maxwell per l ’analisi dei motori elettrici
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| Figura 9; L’integrazione RMxprt Maxwell2D/3D: RMxprt automaticamente genera i modelli per Maxwell2D e Maxwell3D |
Una volta definito il modello analitico attraverso l’interfaccia, RMxprt crea automaticamente il modello agli elementi finiti 2D e 3D per Maxwell, trasferendo: la geometria, le caratteristiche di moto e le proprietà meccaniche (inerzia e coppia resistente all’albero), i dati dei materiali (curva BH e di perdita del ferro), il set-up degli avvolgimenti e l’alimentazione.
In definitiva il modello così creato è pronto ad essere lanciato con i solutori transient di Maxwell.
La soluzione agli elementi finiti in Maxwell permette oltre alla determinazione dei transitori, i valori puntuali di campo ed una soluzione più raffinata ed accurata di quella analitica ottenuta con RMxprt.
La Figura 9 mostra lo stesso modello in RMxprt ed in Maxwell 2D e 3D.
SIMPLORER
Simplorer è un software di simulazione Multi-Domain che consente di modellare, simulare, analizzare e ottimizzare sistemi complessi, da quelli elettromeccanici a quelli elettromagnetici, incluso quelli termici. L’utilizzo delle caratteristiche di modellazione di Simplorer e della tecnologia backplane, consente ai progettisti di realizzare prototipi virtuali considerando tutti gli aspetti di un sistema quali l’elettronica, la sensoristica, gli attuatori, i motori, i generatori, i convertitori di potenza, i controlli ed i software embedded. Tale approccio consente di analizzare e verificare le performance di un sistema complesso con il vantaggio di ridurre drasticamente tempo e costo, potenziando l’affidabilità e ottimizzandone le performance.
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| Figura 1, Un esempio di sistema meccatronico in Simplorer |
Applicazioni
- Elettronica di potenza;
- motori elettrici;
- elettronica per automotive;
- sistemi meccatronici;
- automazione industriale;
Simplorer offre diverse tecniche di modellazione inclusi circuiti, diagrammi a blocchi, macchine a stati, equazioni e linguaggi di modellazione come VHDL-AMS, SML (Simplorer Modeling Language) e C/C++. L’impiego simultaneo di tali strumenti consente di modellare sistemi caratterizzati da segnali analogici, digitali o analogico-digitale. Tale flessibilità elimina la necessità di effettuare trasformazioni matematiche, tipicamente soggette ad errori.
Physics-Based Modelling
Per modelli per i quali è richiesta un elevato livello di accuratezza, Simplorer fornisce un link diretto ad i software di casa ANSYS: Maxwell, Q3D Extractor, RMxprt, PExprt, ANSYS Icepak e ANSYS Mechanical. Tecniche di accoppiamento e di model reduction consentono di incorporare modelli con fisiche diverse all’interno di Simplorer.
Comsimulazione
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| Figura 2, Cosimulazione Multi-Domain in ANSYS Simplorer: ABS (Antilock brake system) |
Programmi come C/C++, MATLAB® / Simulink ®, ModelSim®, QuestaSim® e Mathcad possono essere integrati direttamente in Simplorer per ottenere delle customizzazioni conformi agli standard di simulazione richiesti.
La diretta integrazione dei modelli nel loro ambiente di simulazione evita la traduzione del modello, consente di risparmiare tempo per la progettazione, e permette la comunicazione e lo scambio di informazioni tra progettisti e fornitori.
Simplorer prevede un potente ambiente di sviluppo integrato per la realizzazione di prototipi virtuali che emulano sistemi hardware e simulano quelli software.
Analisi statistiche ed ottimizzazione
Simplorer consente di effettuare analisi parametriche, di ottimizzazione, di sensitività, e di tuning al fine di ottenere un progetto ottimizzato, in relazione a criteri di performance fissati, raggiungendo il miglior trade-off possibile. In particolare l’analisi statistica ha completamente integrato il pacchetto SAE VHDL-AMS Statistical Package.
Simplorer può usufruire di tutta la potenza di calcolo a disposizione perché in grado di effettuare analisi distribuite.
La modellazione attraverso il linguaggio VHDL-AMS
Simplorer supporta lo standard IEEE (1.076,1) del linguaggio di modellazione VHDL-AMS. Il software fornisce le regole per la modellizzazione continuous-time e event-driven, ed è adatto all’analisi di circuiti analogici, digitali e misti analogico/digitale. Il linguaggio VHDL-AMS consente la modellazione di sistemi multi-dominio che possono includere una combinazione di modelli elettrici, meccanici, termici, idraulici e magnetici. I modelli possono essere interfacciati tra diversi strumenti di simulazione che aderiscono allo standard VHDL-AMS, garantendo la compatibilità tra gli strumenti software e preservando l'eredità del modello.
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| Figura 3, IGBT: Circuito termico equivalente in Simplorer. |
Device Characterization tools
Simplorer supporta dispositivi di potenza e tool di caratterizzazione dei singoli componenti di sistema come IGBT e converter AC/DC. Tali tool sono stati sviluppati in collaborazione con esperti del settore al fine di modellare correttamente il reale comportamento degli stessi.
Scripting
Le caratteristiche di scripting sono indipendente dal linguaggio utilizzato, consentendo pertanto di lavorare con i più comuni linguaggi di programmazione come Visual Basic o Java, e di interagire con altri tool che supportano l’interfaccia Microsoft Com.
Manufacturer’s models
Sul sito http://model.simplorer.com è possibile aggiornare le caratteristiche, secondo le specifiche del costruttore, di devices come diodi, MOSFET, IGBT, amplificatori operazionali e così via. Sul sito sono disponibili modelli specifici basati sui componenti desiderati.
Q3D EXTRACTOR
Q3D Extractor rappresenta il primo software 3D per l’estrazione di elementi parassiti durante la fase di analisi e progettazione di schede PCB e dispositivi elettronici.
Q3D Extractor è in grado di calcolare i parametri di resistenza, induttanza e capacità in funzione della frequenza per strutture current-carrying.
L’estrazione accurata dei parametri elettrici risulta una fase essenziale che consente agli ingegneri di simulare e validare il comportamento elettromagnetico di package elettronici, connettori, bus bar e convertitori di elettronica di potenza.
Q3D Extractor esegue la simulazione del campo elettromagnetico sia in un dominio 2D che in uno 3D al fine di estrarre i parametri RLCG di un dispositivo. Il solver fornisce come output le distribuzioni di corrente e tensione, CG, e matrici RL. Q3D Extractor genera automaticamente una netlist in molti formati inclusi LMS (formato di Simplorer) e SPICE.
La dipendenza dalla frequenza può essere inclusa nella simulazione attraverso il dynamic links con i prodotti Ansoft Designer e Simplorer.
Inoltre Q3D Extractor è fornito di un potente modellatore geometrico 3D per la creazione di modelli parametrici.
A titolo di esempio in Figura 1 vengono mostrate alcune delle principali fasi per la simulazione di un dispositivo IGBT: geometria ed assegnazione delle sorgenti (a), realizzazione della mesh (b), visualizzazione dei risultati (c) e realizzazione del circuito equivalente (d).
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| Figura 1: principali fasi per la simulazione in Q3D Extractor: IGBT |
Analisi di Power e Signal Integrity
La capacità di generare modelli ridotti altamente accurati rende Q3D Extractor un software ideale per l’analisi della Signal Integrity non solo finalizzata allo studio del crosstalk, del ground bounce, dei ritardi di interconnessione e del ringing, ma anche per la determinazione delle performance di dispositivi elettronici high-speed quali PCB, package elettronici e componenti passivi montati su chip.
Power Electronic Design
Q3D Extractor è l’ideale per la progettazione di dispositivi di elettronica di potenza usati all’interno di veicoli ibridi elettrici, al fine di ottimizzare l’architettura degli inverter, e minimizzare l’induttanza dei bus, rispetto a tensioni e correnti di corto circuito.
High Performance Computing
Q3D Extractor sfrutta la potenza di calcolo disponibile per una rapida estrazione di carichi parassiti anche per layout di grandi dimensioni. Il Remote Simulation Manager e il Distributed Solve supportano le piattaforme LSF, Sun Grid Engine, Altair PBS Pro ™ e Windows ® HPC. Quest’ultimo include la possibilità di effettuare su diversi processori, macchine e core un calcolo distribuito in funzione del tipo di soluzione CG, AC RL.
EMI/EMC
Q3D Extractor è in grado di estrarre resistenze, induttanze parziali e capacità parassite da bus bars di alta potenza, da cavi e inverter/converter ad alta potenza e fornirli in ingresso a Simplorer per lo studio di EMI / EMC.
EM-circuit co-simulation
Il Link dinamico verso Ansoft Designer consente di creare un workflow avanzato per la predizione delle performance di Signal Integrity e Power Integrity. Analizzando gli effetti che gli elementi parassiti elettrici hanno sulle prestazioni del circuito
Il link verso ANSYS Workbench
Il nuovo link ad ANSYS Mechanical consente di studiare la meccanica e le sollecitazioni termiche causate dalle correnti elettriche.
L’integrazione fra Q3D Eztractor ed ANSYS DesignXplorer consente di effettuare analisi parametriche, di ottimizzazione, di sensitività, e di tuning al fine di ottenere un progetto ottimizzato, in relazione a criteri di performance fissati, raggiungendo il miglior trade-off possibile.
Interoperabilità
Con l'aggiunta di AnsoftLinks per ECAD, Q3D Extractor è fortemente integrato con gli strumenti di progettazione di Cadence ®, Mentor Graphics ®, Synopsys ®, Altium e Zuken.
Mediante l’utilizzo di AnsoftLinks per MCAD gli utenti possono importare direttamente i formati ProE, STEP, Catia e IGES.
Robust algorithms
Per le strutture 3D, Q3D Extractor include un estrattore di parametri RLCG basato sul Metodo dei Momenti (MOM) integrato con il metodo Fast Multipole Method (FMM). Per le linee di trasmissione e i cavi, il software include uno strumento 2D basato sul metodo degli elementi finiti che consente di estrarre i parametri RLCG in funzione della frequenza.
Per maggiori informazioni:
info@enginsoft.it