FEM-Analyse der induzierten Wirbelströme in den Platten und der stationären Temperatur sowie weitere Ergebnisse.
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Ausgangs-Situation
AC Induktions-Erwärmung
In diesem Beispiel geht es um einen Hochspannungstransformator und eine Induktionserwärmung. Ein oder zwei Stahlplatten werden über die Spulen des Transformators gelegt. Ziel ist es, die induzierten Wirbelströme in den Platten und die stationäre Temperatur auf ihnen zu ermitteln, während die 300 Drehspulen mit 10 A, 50 Hz in entgegengesetzten Richtungen angetrieben werden.
Bild: HV Transformator
Die Abmessungen und Materialdaten stammen aus dem Team-Benchmark-Problem 21. Einige der Eingabedaten sind:
Spulen:
Kupfer, Elektrische Leitfähigkeit 58e6 S/m
Stahl:
Magnetisch, nichtlineare BH-Kurve, elektrische Leitfähigkeit 6484000 S/m, Wärmeleitfähigkeit 1,4 W/m-K, spezifische Wärme 434 J/Kg-K
Geeignete Methode
3D Magnetodynamik Frequenz Lösung
Für die Berechnung der Wirbelströme bei Wechselstromerregung ist die magnetodynamische Lösung im Frequenzbereich geeignet. Die nichtlineare B-H-Kurve wird in dieser Analyse verwendet, aber die Genauigkeit der Nichtlinearität ist nicht so gut wie im Zeitbereich.
Die Lösung beginnt mit einem CAD-Modell des Transformators in NX. Um ihn herum ist ein Luftvolumen modelliert.
Bild: Transformator CAD Modell in NX
Als Nächstes wird die Vernetzung vorgenommen. Wir verwenden hexaedrische Elemente sowohl für die Spulen als auch für die Platten. Diese Elemente führen zu den besten Ergebnissen bei Finite-Elemente-Lösungen. Diese Elemente können leicht mit der Außenluft verbunden werden, die mit Hilfe von Pyramiden im Übergangsbereich vernetzt wird.
Bild: Hexaeder Vernetzung
Ein wichtiger Aspekt ist die Definition der Windungen für die 3D-Spulen. NX Magnetics ist in der Lage, die Windungsrichtungen aus einer Kurve abzuleiten. Wir verwenden also eine der tangentialen Kanten der Spule. Das nächste Bild zeigt einen kleinen Pfeil in jedem Element, der von der inneren CAD-Kante abgeleitet ist. Auf diese Weise verwenden alle Spulenströme diese Richtungen, was einer gewickelten Spule sehr gut entspricht.
Bild: Kleine Pfeile in den Spulenelementen zeigen in die Stromrichtung
Nachdem die beiden Erregerströme in entgegengesetzten Richtungen und die thermische Konvektionsbedingung definiert sind, wird die Aufgabe gelöst.
Ergebnisse
Temperature, Flussdichte, Wirbelströme
Erstes Ziel dieser Analyse war es, die Temperaturverteilung auf den beiden Platten zu ermitteln, wie sie im nächsten Bild zu sehen ist. Da die Ausgangstemperatur auf 20 °C eingestellt war, errechneten wir einen Anstieg von etwa 10 °C in der Nähe der Öffnung.
Bild: Temperatur auf Platten
Die nächste Grafik zeigt die Flussdichte in den Platten, die sich aus den Induktionseffekten ergibt.
Bild: Fluxdichte mit Pfeilen
Das nächste Bild zeigt die berechneten Wirbelströme in den beiden Platten.
Bilde: Wirbelströme
Es hat sich gezeigt, dass es mit diesen Methoden in Magnetics for NX möglich und einfach ist, Hochspannungstransformatoren zu analysieren, Wirbelströme und Temperaturen zu ermitteln. In der gezeigten Art der Analyse haben wir eine einfache Konvektionsbedingung auf allen Außenflächen mit einem konstanten Konvektionskoeffizienten verwendet. In einer erweiterten Analyse könnten wir die berechneten Wirbelstromverluste aus der elektromagnetischen Lösung in den NX Thermal/Flow Solver übertragen. Dies würde den Umgang mit nicht konstanten Konvektionskoeffizienten ermöglichen und manchmal zu realistischeren Ergebnissen führen.
