Simulation commandée par ABB

Avec plus de 50 ans d'expertise et d'expérience dans la recherche, les solutions de conception innovantes et la fabrication dans le domaine des transformateurs et des réacteurs secs, l'équipe de R&D d'ABB a récemment mis au point une méthode de calcul rapide pour l'évaluation de la résistance structurelle des enroulements de transformateur, susceptibles de subir des courts-circuits externes. Ainsi dans ce cas de défaillance, des forces électromagnétiques radiales compriment les enroulements internes. Si ces forces dépassent la limite critique, le système devient instable et un flambage mécanique peut se produire entre les supports radiaux, causant de graves dommages à la machine électrique. La prévention de ce phénomène nécessite une simulation numérique fiable basée sur la physique électromagnétique structurelle couplée dès la phase de conception. CADFEM a été amené à développer une procédure de simulation impliquant ANSYS Maxwell et ANSYS Mechanical capable de révéler le flambage sur des enroulements de forme circulaire VPI de type feuille d'aluminium.

Le résultat de cette simulation aide les concepteurs d'ABB à vérifier les marges de sécurité d'un modèle de courant particulier et à trouver le modèle optimal en termes de matériaux, de collage, de nombre, de type et de positionnement des entretoises - et toutes les autres caractéristiques pertinentes pour les enroulements de transformateur de type feuille.

"Une approche multi-physique qui associe la simulation électromagnétique à la simulation structurelle est essentielle lorsqu'il s'agit de saisir la nature des conditions réelles auxquelles nos produits sont soumis. Cette méthode, en particulier, représente une avancée significative par rapport aux modèles analytiques qui étaient précédemment utilisés pour prédire le flambage des enroulements. La façon dont cela nous a permis d'optimiser notre conception et d'accroître la fiabilité de nos produits a donné à ABB un avantage concurrentiel tangible".
Luigi De Mercato, ingénieur principal en R&D, ABB

Courtoisie de ABB

Une simulation électromagnétique a été réalisée pour saisir le champ de densité de force de Lorentz, en tenant compte de la courbure du champ magnétique et de la distribution de la densité de courant. Les solutions obtenues à partir de formulations magnétostatiques, temps-harmoniques et transitoires en 3D ont été comparées, ce qui a permis d'identifier une méthode efficace qui fournit des résultats précis tout en limitant l'effort de calcul et améliore donc l'applicabilité de cette méthode dans le cadre du processus de conception industrielle. Les forces volumétriques calculées ont ensuite été interpolées sur le modèle structurel. Une analyse non linéaire préliminaire a été réalisée afin de faciliter la définition correcte des paramètres optimaux du modèle en termes de maillage, de solveur et de paramètres de contact non linéaires. La modélisation du matériau conducteur a pris en compte les caractéristiques orthotropes du matériau telles que mesurées lors des expériences. Une analyse de flambage linéaire a ensuite été effectuée pour déterminer la forme du flambage ainsi que les multiplicateurs de charge. Cette analyse a été suivie d'une analyse de flambement non linéaire qui a inclus les effets de déplacement important et les contacts non linéaires, dans le but de déterminer avec une plus grande précision le facteur de charge critique par rapport à l'ordre de mode de flambement le plus bas pour la construction d'enroulement donnée.