Opera Lösungen

Das Opera Dynamic Electromagnetic Module berechnet zeitvariable elektromagnetische Felder und den Wirbelstromfluss in elektromagnetischen Geräten und Systemen. Die Berechnung umfasst Wirbelströme, die durch einfache bewegliche Leiter verursacht werden. Dies bedeutet, dass die Bewegung die Geometrie nicht ändert, z. B. bei einer rotierenden Scheibe oder einem unendlichen Rohr mit konstantem Querschnitt.
Es stehen drei verschiedene Arten von dynamischen Lösungen zur Verfügung, die jeweils eine andere Form der zeitlichen Variation haben:

• „Harmonisch“ berechnet Wechselströme im stationären Zustand, bei denen alle Felder und Potenziale mit derselben Frequenz oszillieren.
• „Transient“ berechnet transiente Wirbelströme, die durch die Felder von Antriebsströmen, durch Randbedingungen und durch externe Felder induziert werden, die sich in einer bestimmten Weise mit der Zeit ändern.
• „Feste Geschwindigkeit“ berechnet Wirbelströme, die durch Bewegung induziert werden und die Geometrie des Modells nicht verändern. Die Quellfelder und Antriebsbedingungen sind unveränderlich.

Das Opera Electromagnetic Motional Module berechnet zeitlich variierende Felder und Wirbelströme in Geräten mit rotierender oder linearer Bewegung, die bei der Lösung eine Neuvernetzung erforderlich machen. Teile der Geometrie und damit das Finite-Elemente-Netz können sich unabhängig mit Geschwindigkeiten bewegen, die vom Anwender gesteuert oder im Verlauf der Analyse berechnet werden. Diese transiente Analyse berücksichtigt sowohl durch die Auswirkungen der sich bewegenden Magnetfelder als auch durch die zeitliche Variation der Modellquellen induzierte Wirbelströme in leitenden Medien.

Dieses Modul wurde für die dynamische Modellierung aller Arten von elektrischen Maschinen entwickelt, z. B. Maschinen mit Permanentmagneten (PM), Induktion sowie geschalteter, synchroner und asynchroner Reluktanz. Es kann Kommutationseffekte, transiente Reaktionen und konstante Leistung sowie unsymmetrische lokale Effekte untersuchen.

Es berechnet auch Wirbelstromverluste in allen Materialien, darunter auch Permanentmagneten. Die Berechnungen können den elektrischen Antrieb unter normalen und Fehlerbedingungen sowie eine dynamische mechanische Last umfassen. Bei jedem Zeitschritt berechnet das Modul die elektromagnetische Kraft auf den beweglichen Teilen (Rotation oder Verschiebung) und wendet eine inkrementelle Bewegung an, gefolgt von einer Neuberechnung der elektromagnetischen Felder.

Dieses Modul analysiert das Quenchen von supraleitenden Magneten. Das Opera Quench Module simuliert den Temperaturanstieg eines supraleitenden Magneten während eines Quenchs, einschließlich des Übergangs zum Widerstandsverhalten, wenn sich der Quench durch den Magneten fortbewegt. Die Wärme, die ein Quench-Ereignis auslöst, kann aus verschiedenen Quellen stammen. In einem DC-System ist dies in der Regel auf einen Fehler im kryogenen System, ein zu schnelles Hochfahren des Systems oder eine absichtliche Einführung in Testsituationen zurückzuführen. In der Simulation kann diese Wärme als Oberflächen- oder Volumeneigenschaft oder durch ratenabhängige, ohmsche oder hysteresebedingte Verluste in Materialien aufgrund von Stromfluss oder der enthaltenen Felder einbezogen werden. In diesem Fall besteht eine erhebliche Anisotropie in den Materialeigenschaften, da die Wärmeleitfähigkeit entlang der Wicklungsrichtung dominant ist und somit spezifische Modellierungsverfahren für Effizienz und Genauigkeit erforderlich sind.

Im Quench-Modul werden fortschrittliche FE-Verfahren verwendet, um das hochgradig nichtlineare transiente Verhalten eines Magneten während eines Quenchs zu modellieren. Mit einem Algorithmus, der die elektromagnetische Lösung mit den thermischen und Schaltungslösungen verbindet (um die Ströme in den Spulen zu bestimmen), wird der gesamte Quench-Vorgang analysiert.

Mit dem Opera Thermal Analysis Module werden die Felder mit statischer oder transienter Temperatur, mit Wärmefluss und mit thermischem Gradienten aufgrund elektromagnetischer Erwärmung oder externer Wärmequellen berechnet. Der Anwender kann thermische Eigenschaften wie den Leitfähigkeitstensor oder eine spezifische Wärme- und Wärmequellendichte als Funktion der Position angeben. Die thermischen Eigenschaften können temperaturabhängig sein, was zu einer nichtlinearen Analyse führt.

Im Einzelmodus definiert der Anwender die Wärmeverteilung im Thermikmodul. In einer multiphysikalischen Simulation bieten andere Opera Lösungsmodule die Wärmeverteilung. Es ist möglich, mehrere Wärmequellen (zum Beispiel Wirbelstromheizung und Eisenverluste in einem Motor) in einer einzigen Berechnung zu berücksichtigen. Das Thermikmodul berechnet die Temperaturverteilung im Modell. Wenn die Materialeigenschaften temperaturabhängig sind, kann dies die elektromagnetische Lösung ändern. Das Stress Analysis Module analysiert die durch Wärmeausdehnung induzierte Spannung. Nachfolgende thermische und elektromagnetische Simulationen können die Verformung berechnen, um genaue Ergebnisse zu erzielen.

Mit dem Spannungs-Solver werden lineare statische Spannungen in zwei oder drei Dimensionen gelöst. Die Ergebnisse umfassen Verformungen, Dehnungen und Spannungen. Bei drei Dimensionen berechnet der Spannungs-Solver auch die natürlichen Modi der Struktur, d. h. die Eigenwerte und Eigenvektoren.

Das Opera Charged Particle Module berechnet die Interaktion geladener Teilchen in elektro- und magnetostatischen Feldern. Dabei wird die Finite-Element-Methode verwendet, um die Maxwell-Gleichungen für den stationären Fall in einem diskretisierten Modell zu lösen. Darüber hinaus bietet es eine selbständige Lösung, einschließlich der Auswirkungen von räumlichen, selbstmagnetischen Feldern und relativistischen Bewegungen.

Das Charged Particle Module bietet eine umfassende Auswahl an Emittermodellen. Diese Auswahl umfasst thermionische Emissionen und Feldeffektemissionen von Oberflächen, sekundäre Emissionen von Oberflächen und innerhalb von Volumen (zur Modellierung der Gasionisation) und Modelle für nicht magnetisierte und magnetisierte Plasmen. Es ist möglich, mehrere Arten geladener Teilchen mit benutzerdefinierter Ladung und Masse einzubeziehen.

In einer multiphysikalischen Analyse kann das Charged Particle Module die durch den Teilchenstrahl erzeugte Wärme simulieren.