W jaki sposób rozszerzenia ACT automatyzują i przyspieszają projektowanie transformatorów elektronicznych?

Nawet najbardziej nowatorska koncepcja zasilacza impulsowego czy przekształtnika energoelektronicznego nie spełni swojego zadania, jeśli zawiedzie jego najważniejszy element – transformator. W kontrolowanych warunkach analitycznych, przy użyciu uproszczonych wzorów, obliczenia indukcyjności czy strat mocy wydają się nieskomplikowane. Prawdziwy test następuje jednak wtedy, gdy komponent musi pracować przy wysokich częstotliwościach, w ograniczonej przestrzeni obudowy, a inżynier musi zmierzyć się ze zjawiskami nieliniowymi, parametrami pasożytniczymi oraz sprzężeniami termicznymi.

W dzisiejszym artykule przyjrzymy się wyzwaniom, przed którymi stają projektanci podzespołów indukcyjnych, oraz sprawdzimy, jak dedykowane rozszerzenie Ansys ACT (Customization Toolkit) – Electronic Transformer pozwala zautomatyzować ten proces i przenieść projektowanie inżynierskie na wyższy poziom.

Spis treści

W skrócie:

  • Rozszerzenie ACT Electronic Transformer automatyzuje projektowanie poprzez zamianę ręcznego modelowania CAD w intuicyjny kreator parametryczny, co skraca czas konfiguracji symulacji z kilku godzin do minut. Dzięki temu inżynier może przeprowadzić analizy elektromagnetyczne w Ansys Maxwell oraz sprzężenia magnetotermiczne.
  • Dwukierunkowe sprzężenie magnetotermiczne to zaawansowany proces symulacji, w którym straty mocy wyznaczone w programie elektromagnetycznym Ansys Maxwell są automatycznie przekazywane jako przestrzenne źródło ciepła do solvera termicznego Ansys Icepak lub Ansys Fluent. W pętli zwrotnej solver termiczny odsyła zaktualizowaną mapę temperatur z powrotem do programu Maxwell, który na tej podstawie koryguje rezystywność miedzi i właściwości magnetyczne rdzenia. To podejście do odwzorowania rzeczywistych warunków pracy podzespołów indukcyjnych pod obciążeniem.

Wyzwania w erze wysokich częstotliwości

Współczesna energoelektronika dąży do ciągłej miniaturyzacji, co zmusza inżynierów do podnoszenia częstotliwości najważniejszych układów. To z kolei diametralnie komplikuje zjawiska fizyczne zachodzące wewnątrz transformatora. Jako projektanci musimy stawić czoła trzem głównym problemom:

  • skomplikowana geometria i zaawansowane uzwojenia – projektowanie nowoczesnych transformatorów planarnych (zintegrowanych z obwodem drukowanym PCB) lub stosowanie przewodów typu lica (wiązek odizolowanych od siebie cienkich drucików) drastycznie utrudnia ręczne modelowanie geometrii w środowisku CAD;
  • efekty wysokiej częstotliwości (zjawisko naskórkowości i zbliżania) – prąd o wysokiej częstotliwości nie płynie równomiernie w całym przekroju przewodnika. Zjawiska naskórkowości oraz zbliżania drastycznie zwiększają rezystancję czynną uzwojeń, prowadząc do generowania olbrzymich, lokalnych strat mocy (strat Joule’a);
  • czasochłonna konfiguracja symulacji numerycznej – tradycyjne przygotowanie modelu metodą elementów skończonych (MES) – od odwzorowania geometrii każdego zwoju, przez przypisanie właściwości materiałowych, aż po zaawansowane ustawienia gęstej siatki obliczeniowej, potrafiło zająć inżynierowi wiele dni roboczych.

Współczesne projektowanie nie może opierać się na metodzie prób i błędów oraz nawijaniu kolejnych fizycznych prototypów. Wymaga pełnej automatyzacji, a także szybkiej weryfikacji wielofizycznej.

Rewolucja w automatyzacji – ACT Electronic Transformer

Tradycyjny proces symulacji urządzeń elektromagnetycznych wymagał specjalistycznej wiedzy z zakresu obsługi i konfiguracji solverów polowych. Odpowiedzią na ten problem jest dedykowana wtyczka ACT Electronic Transformer, w pełni zintegrowana ze środowiskiem Ansys. Pozwala ona na automatyzację całego procesu projektowego za pomocą intuicyjnego kreatora.

Co to oznacza w praktyce? Zamiast ręcznie rysować każdy zwój i definiować parametry analizy polowej, inżynier wprowadza najważniejsze dane wejściowe (takie jak typ rdzenia, liczba zwojów, średnica przewodu czy konfiguracja warstw) w ustrukturyzowanym oknie dialogowym. Rozszerzenie ACT natychmiastowo i automatycznie:

  • generuje kompletną, precyzyjną geometrię w przestrzeni trójwymiarowej (3D);
  • przypisuje odpowiednie właściwości materiałowe do rdzenia magnetycznego i uzwojeń;
  • definiuje optymalne warunki brzegowe, wymuszenia prądowe oraz parametry dyskretyzacji (generowania siatki obliczeniowej), które są fundamentalne dla poprawnego odwzorowania nieliniowości.

Dzięki temu czas potrzebny na przygotowanie i uruchomienie modelu obliczeniowego skraca się z kilku godzin do zaledwie kilku minut.

Analizy parametryczne i badania scenariuszy typu „co-jeśli”

Proces inżynierski to nieustanne poszukiwanie kompromisu między gabarytami, sprawnością energetyczną a kosztami produkcji. Ponieważ ACT Electronic Transformer błyskawicznie buduje gotowy model, inżynier może w prosty sposób sparametryzować konstrukcję.

Możemy zdefiniować zmienne projektowe (np. szerokość ścieżek w transformatorze planarnym, szerokość szczeliny powietrznej w rdzeniu) i powierzyć programowi automatyczne przeliczenie całej macierzy wariantów. Pozwala to na szybkie określenie czułości modelu na poszczególne parametry oraz wyselekcjonowanie geometrii, która generuje najmniejsze straty w miedzi, a także rdzeniu przy zachowaniu wymaganej indukcyjności.

Od parametrów zastępczych do pełnej fizyki – ekosystem Ansys

Po automatycznym wygenerowaniu modelu przez rozszerzenie ACT, użytkownik otrzymuje pełny dostęp do zaawansowanych możliwości flagowych solverów Ansys.

  1. Precyzyjne wyznaczanie parametrów w Ansys Maxwell
    Solver elektromagnetyczny pozwala na dokładne wyznaczenie macierzy indukcyjności, pojemności pasożytniczych oraz rezystancji w funkcji częstotliwości. Bardzo ważne jest tu precyzyjne mapowanie strat w rdzeniu magnetycznym (Core Losses) przy użyciu zaawansowanych modeli matematycznych (np. zmodyfikowanego równania Steinmetza).
  2. Dwukierunkowe sprzężenie magnetotermiczne
    Transformatory intensywnie wydzielają ciepło, a wzrost temperatury bezpośrednio zmienia właściwości magnetyczne rdzenia oraz rezystywność właściwą miedzi. Wyznaczone przez ACT straty mocy mogą zostać automatycznie przekazane jako przestrzenne źródło ciepła do programu Ansys Icepak lub Ansys Fluent. W pętli zwrotnej solver termiczny przekazuje zaktualizowaną mapę temperatur do programu Maxwell, co pozwala na idealne odwzorowanie rzeczywistych warunków pracy pod obciążeniem.
  3. Eksport modeli rzędu zredukowanego (ROM) do symulacji układowych
    Uzyskane wyniki polowe i zaawansowane charakterystyki transformatora można wyeksportować w postaci modeli uproszczonych. Trafiają one bezpośrednio do środowiska Ansys Twin Builder, gdzie mogą być testowane wirtualnie w topologii całego układu zasilacza, wraz z rzeczywistym algorytmem sterowania oraz nieliniowymi modelami kluczy półprzewodnikowych.

Podsumowanie

Współczesne projektowanie transformatorów elektronicznych wymaga szybkości i dokładności, których nie da się już osiągnąć wyłącznie tradycyjnymi metodami analitycznymi. Wykorzystanie dedykowanego rozszerzenia ACT Electronic Transformer minimalizuje ryzyko błędów ludzkich podczas konfiguracji modeli MES i drastycznie skraca czas fazy badawczo-rozwojowej (R&D).

Dzięki ekosystemowi Ansys – od automatycznego kreatora ACT, przez dokładne analizy polowe w Ansys Maxwell, aż po sprzężenia termiczne i układowe – inżynierowie otrzymują kompletne narzędzie do projektowania niezawodnych urządzeń.

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak wdrożyć dedykowane rozszerzenia ACT i automatyzację symulacji w Twojej firmie? Skontaktuj się z zespołem Symkom!

Autor: dr inż. Konrad Górny – specjalista ds. analiz elektromagnetycznych, Symkom