Lösungen

Das Static Module wird in wissenschaftlichen und technischen Anwendungen eingesetzt und dient zur Berechnung magneto- und elektrostatischer Felder. Dabei wird die FEA-Methode verwendet, um die Maxwell-Gleichungen für den stationären Fall in einem diskretisierten Modell zu lösen. Bei der 3D-Magnetostatik behandeln die im Static Module verwendeten Algorithmen im Modell enthaltene Volumen mit magnetischen Quellen automatisch anders als Volumen ohne solche Quellen. Mit dieser leistungsstarken Methode werden Abbruchfehler, die bei alternativen Lösungsmethoden auftreten können, erfolgreich vermieden. Daher ist die Genauigkeit der Lösung oft deutlich höher als man bei einer Finite-Elemente-Analyse erwarten würde. In diesem Modul können die Eigenschaften magnetischer Materialien als linearer, nichtlinear, isotrop, anisotrop, laminiert oder Permanentmagnet angegeben werden. In 3D können Benutzer Spulen mit extremer Genauigkeit simulieren, indem sie die proprietäre Methode von Opera verwenden, bei der das Biot-Savart-Integral zur Berechnung von Magnetfeldern aus Spulen eingesetzt wird. Opera-3d verfügt über eine hilfreiche Bibliothek zur einfachen Definition von Standardformen wie Spulen und Rennbahnspulen und bietet dem Benutzer die Flexibilität, Spulen jeder Topologie zu erstellen. Mit der Option für ein verlustbehaftetes Dielektrikum können Benutzer elektrische Felder simulieren, die durch das Laden von Dielektrika mit niedriger Leitfähigkeit entstehen.

Das Dynamic Electromagnetic Module kann verwendet werden, um die zeitlich variierenden elektromagnetischen Felder und Wirbelströme in elektromagnetischen Geräten und Systemen zu berechnen. Dazu gehören Wirbelströme, die durch einfache bewegte Leiter induziert werden, wo also die Geometrie nicht durch die Bewegung verändert wird (z. B. rotierende Scheibe oder unendliches 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 alle zeitinvariant.

Das Electromagnetic Motional Module berechnet zeitlich variierende Felder und Wirbelströme in Geräten mit rotierender oder linearer Bewegung, die bei der Lösung eine Neuvernetzung verursachen. Teile der Geometrie und damit das Finite-Elemente-Netz dürfen sich unabhängig mit Geschwindigkeiten bewegen, die vom Benutzer gesteuert oder im Verlauf der Analyse berechnet werden. Die Analyse ist transient, wobei Wirbelströme in leitenden Medien sowohl durch die Auswirkungen der sich bewegenden Magnetfelder als auch durch die zeitliche Variation der Modellquellen induziert werden.
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 zur Untersuchung von Kommutierungseffekten, transienten Reaktionen sowie stationärer Performance und ungleichmäßigen lokalen Effekten verwendet werden.
Es können auch Wirbelstromverluste in allen Materialien, einschließlich Permanentmagneten, berechnet werden. 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.

Mit diesem Modul kann der Quench supraleitender Magnete analysiert werden. Das Opera Quench-Modul nutzt 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 einer Vielzahl von Quellen stammen. In einem Gleichstromsystem ist es normalerweise auf einen Ausfall des Kühlsystems oder das zu schnelle Hochfahren des Systems zurückzuführen oder kann in Testsituationen absichtlich herbeigeführt werden. In der Simulation kann diese Wärme als Oberflächen- oder Volumeneigenschaft oder durch ratenabhängige, ohmsche oder hysteresebedingte Verluste in Materialien aufgrund von Stromfluss oder Feldern in ihnen 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 Thermal- und Schaltungslösungen verbindet (um die Ströme in den Spulen zu bestimmen), kann der gesamte Quench-Vorgang analysiert werden.

Mit dem Thermal Analysis Module werden die Felder mit statischer oder transienter Temperatur, mit Wärmefluss und mit thermischem Gradienten aufgrund elektromagnetischer Erwärmung oder externer Wärmequellen berechnet. Thermische Eigenschaften, wie der Leitfähigkeitstensor oder die spezifische Wärme, sowie die Wärmequellendichte können als Funktion der Position angegeben werden und temperaturabhängig sein (was zu einer nichtlinearen Analyse führt).
Das Thermalmodul kann im eigenständigen Modus verwendet werden, wobei der Benutzer die Verteilung der Wärmezufuhr definiert, oder es kann in einer multiphysikalischen Simulation mit anderen Opera Lösungsmodulen verwendet werden, mit denen die Wärmeverteilung angegeben wird. Es ist möglich, mehrere Wärmequellen (zum Beispiel Wirbelstromheizung und Eisenverluste in einem Motor) in einer einzigen Berechnung zu berücksichtigen. Das Thermalmodul berechnet die Temperaturverteilung im Modell, wodurch die elektromagnetische Lösung verändert werden kann (wenn die Materialeigenschaften temperaturabhängig sind). Die durch Wärmeausdehnung induzierte Spannung kann mit dem Stress Analysis Module analysiert werden. Die verursachte Verformung kann in nachfolgenden thermischen und elektromagnetischen Simulationen verwendet werden.
Mit dem Spannungs-Solver werden lineare statische Spannungen in 2 oder 3 Dimensionen gelöst. Die Ergebnisse umfassen Verformungen, Dehnungen und Spannungen. In 3 Dimensionen kann der Spannungs-Solver auch zur Berechnung der natürlichen Moden der Struktur, also der Eigenwerte und der Eigenvektoren verwendet werden.

Das Charged Particle Module berechnet die Interaktion geladener Teilchen in elektro- und magnetostatischen Feldern. Es verwendet die Finite-Elemente-Methode, um die Maxwell-Gleichungen für den stationären Fall in einem diskretisierten Modell zu lösen, und bietet eine selbstkonsistente Lösung, einschließlich der Auswirkungen von Raumladung, selbstmagnetischen Feldern und relativistischer Bewegung.
Es wird ein umfassender Satz von Emittermodellen geboten, einschließlich thermionischer und Feldeffektemission von Oberflächen, sekundärer Emission von Oberflächen und innerhalb von Volumen (zur Modellierung der Gasionisation) und Modellen für magnetisierte und nicht magnetisierte Plasmen. Es ist möglich, mehrere Arten geladener Teilchen mit benutzerdefinierter Ladung und Masse einzubeziehen.
Das Modul Charged Particle kann beispielsweise in einer multiphysikalischen Analyse verwendet werden, bei der der Teilchenstrahl Wärme erzeugt.