ANSYS電磁場培訓手冊31

第四章

第1節(jié)

三維電磁模擬1三維（3D）模擬在很多情況下，電磁場分析要以三維（3D）方式進行模擬沒有完全軸對稱的模型銜鐵上的通氣孔定子周期性截面線圈區(qū)域靠近孔的飽和區(qū)非軸對稱2三維（3D）模擬除Z軸方向外，模型還有其他方向的電流不同電流方向的多個匯流排3三維（3D）模擬具有平面和軸對稱組合部件的模型銜鐵外形復雜平面型定子具有確切外形的銜接和廉價迭片定子的致動器線圈區(qū)域4三維（3D）模擬軸向非均勻的模型10極永磁電機，建立了2極模型定子、永磁體和轉子具有不同軸向長度永磁體轉子定子5正如二維（2D）模擬一樣，三維模擬功能也包括靜態(tài)、交流和瞬態(tài)分析缺省的線性材料為各向同性（只賦予MURX值）三維（3D）材料選項包括對于所有三個方向的正交各向異性選項MURn和RSVn（n表示X、Y、Z三個方向）BH磁化曲線能用于磁導率正交各向異性的任一個方向，其余方向為常數(shù)在某正交各向異性方向應用BH曲線時，該方向的MURn應設置為零（只在正交各向異性材料中要求如此）三維單元包括遠場邊界單元與二維模擬相同，也支持復雜組合的物理區(qū)域交流分析的絞線導體與塊導體電壓與電流供電復雜鐵磁區(qū)域6具有模擬三維模型運動的功能周期性邊界條件改變線圈電流不相同網(wǎng)格執(zhí)行動畫文件:mach3d.avi觀察轉子轉動畫10極永磁電機，輸入正弦電流7單元列式直接影響到模擬的各個方面施加通量垂直和平行邊界條件何為自然邊界條件？何為自由度約束？BH數(shù)據(jù)對收斂敏感性的影響ν-B2

曲線與μ-H曲線模擬激勵的方法（絞線圈）可在模型中包含鐵磁區(qū)模型中的鐵磁-空氣界面后處理通量計算（電動勢（EMF）計算的起始點）“磁力線”顯示三維模擬使用多種單元列式8三維（3D）模擬功能包括三種單元列式類型標量勢單元列式（靜態(tài)1）[SOLID96]簡化標勢法(RSP)用于沒有線圈的鐵-空氣界面模型差分標勢法(DSP)用于具有單通量路徑的鐵-空氣界面模型通用標勢法(GSP)用于具有多通量路徑的鐵-空氣界面模型單元邊列式（靜態(tài)、交流、瞬態(tài))[SOLID117]包含任意鐵磁區(qū)域周期對稱模型必須為全模型-不能有耦合磁矢量勢(MVP)列式（靜態(tài)、交流、瞬態(tài)）[SOLID97]無鐵磁區(qū)域(1)如果模型中還有矢量勢和界面單元INTER115，標量法能用于交流和瞬態(tài)模擬9標量勢單元列式自由度:MAG通量垂直邊界條件：MAG自由度必須被約束或耦合通量平行邊界條件：這是自然邊界條件，不要求施加。這種邊界條件施加到模型邊界上，不采用約束或耦合。有相應的菜單來施加標量法的通量平行條件，但只是一個注意項而已，無須使用。分析中BH曲線的使用必須檢查μ-H曲線，保證其是“光滑”的10μ-H曲線由下面面菜單繪制制Utility>plot>datatables曲線上沒有有波紋，求求解收斂性性就很好選擇OK11標量勢的激激勵是基于于Biot-Savart計算的，使使用預先定定義的線圈圈形狀-sourc36單元。因此此，對應于于線圈或桿桿導體的有有限元區(qū)域域不必直接接建模（象象二維磁矢矢勢分析那那樣）sourc36單元的幫助助文件中對對線圈原型型定義12線圈原型常常用于某些些類型的致致動器，但但多數(shù)情況況下，該線線圈以ARC型和BAR型相組合構構成“跑道”形線圈本章后面對對此有詳細細描述ARC型構成跑跑道形線圈圈轉角BAR型構成跑道道形線圈直直邊13sourc36單元定義它們不要求求連接成連連續(xù)單元三個節(jié)點用用于定義線線圈原型的的取向和一一個特征長長度在單元實常常數(shù)中定義義導體厚度度和電流（（安匝數(shù)）），模型中中所用厚度度相應于導導線位置而而不是絕緣緣厚度電流流向對于圖示線線圈：線圈長度: .05m厚度 .02m線圈中間點點半徑.10m取向:沿沿+Z安匝數(shù):1,50014單元的節(jié)點點：節(jié)點K處于線圈中中心位置即即節(jié)點1(0,0,0)節(jié)點I處于線圈中中間半徑位位置即節(jié)點點2(0.1,0,0)節(jié)點J決定了線圈圈取向的定定義，即節(jié)節(jié)點3(0,0.1,0)生成單元前前需要定義義sourc36單元，該單單元無單元元類型選項項Preproc.>elementtype>add/edit/delete[ADD]線圈實例NodeJNodeINodeK箭頭方向定定義電源取取向（右手手定則15單元實常數(shù)數(shù)設置號應應該是唯一一的，或其其它相同線線圈一致。。實常數(shù)應應在生成單單元前定義義。Preproc>realconstants選擇ADD選擇sourc36單元類型.選擇OK16完成線圈定定義選擇sourc36原型必須為與單單元相對應應的實常數(shù)數(shù)安匝數(shù)，方方向由前面面幻燈片中中的紅箭頭頭所示線圈厚度線圈軸向長長度DY、DZ的單位制要要與模型一一致選擇OK17先生成單元元前，要設設置單元屬屬性Preproc>create>elements>elemattributes單元類型實常數(shù)（如如前面幻燈燈片所定義義的）人工生成單單元（不用用自動生成成網(wǎng)格）Preproc>create>elements>-autonumbered-thrunodes(順次選取節(jié)節(jié)點2,3和1）如果要根據(jù)據(jù)實常數(shù)中中設置的尺尺寸來顯示示線圈圖形形，則圖形形設置必須須變更。Utility>plotctrls>style>sizeandshape選擇OK18在某些情況況下，要求求將“增強圖形”方式轉換為為“全圖形”方式Utility>plotctrls>style>hiddenlineoptions箭頭長度由由繪圖控制制選項控制制PlotCtrls>style>vectorarrowscaling注：在標準準工具欄中中可直接設設置“增強圖形”（將其關閉閉）19利用改變實實常數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)可改變線線圈特征Preproc>realconstants選擇EDIT(初始生成的的設置）將0.05改為0.1選擇OK20應建完整的的線圈組模模型實際上有例例外線圈遠離鐵鐵芯區(qū)域，，對鐵芯內內磁場產(chǎn)生生不重要的的影響模型中只建建立了2個個極和1/2軸向長度21標量列式包包括三種型型式的標量量勢，每一一種適用于于特定的物物理區(qū)域?？梢圆捎煤喓喕瘶肆縿輨?RSP)的物理區(qū)域域有:鐵磁區(qū)和永永磁體無線圈的鐵鐵磁區(qū)域無鐵磁介質質的線圈22RSP優(yōu)點:模擬分析為為單步求解解相對于其它它標量方式式，其計算算量最小RSP缺點:“數(shù)值相消”使RSP方法在鐵磁磁模型內不不能使用sourc36單元勵磁23RSP方法適用于于模擬含有有鐵空氣界界面和永磁磁體的系統(tǒng)統(tǒng)——分析析目的為確確定轉矩與與轉角的關關系10極迭片電機機的2極，，每極錐角角為15度度24差分標量勢勢(DSP)方法可用于于模擬:線圈與鐵磁磁介質區(qū)相相連永磁體無鐵磁區(qū)的的線圈限制：模型型幾何體必必須滿足單單連通條件件。當鐵芯磁導導率接近于于無限大則則鐵介質中中磁場強度度接近零時時，可確定定為單連通通（致動器器、具有空空氣隙電機機等）缺點:求解為二步步過程25直線加速器器的C形磁體氣隙線圈產(chǎn)生磁磁場控制帶帶電粒子運運動帶電粒子運運動這是一個當當鐵芯磁導導率變得很很大時，磁磁場強度接接近零的實實例26DSP方法適合于于模擬含有有鐵和空氣氣界面以及及sourc36單元電流源源的系統(tǒng)，，分析目的的是確定在在指定定子子電流形式式時轉矩與與轉角的關關系10極電電機機的的兩兩極極模模型型三相相電電機機的的繞繞組組截截面面27通用用標標勢勢法法適適用用的的物物理理模模型型:Sourc36單元元可可與與鐵鐵磁磁區(qū)區(qū)相相連連磁體體勵勵磁磁通量量條條件件可可以以定定義義通通量量（（Webers）可在在無無鐵鐵芯芯介介質質的的模模型型采采用用Sourc36單元元限制制：：模模型型幾幾何何體體必必須須滿滿足足多多連連通通條條件件若當當鐵鐵介介質質磁磁導導率率為為無無限限大大時時，，鐵鐵芯芯內內磁磁場場并并不不接接近近零零，，則則可可確確定定為為滿滿足足多多連連通通條條件件（（變變壓壓器器、、導導磁磁體體、、具具有有多多通通量量路路徑徑的的模模型型等等））缺點點：：要分分三三步步求求解解28閉合合磁磁路路電電感感線線圈圈實例例：：當當鐵鐵芯芯磁磁導導率率變變大大時時磁磁場場不不為為零零（（多多連連通通））29模擬擬遠遠場場區(qū)區(qū)域域的的模模型型有有二二種種遠遠場場邊邊界界單單元元(infin47和infin111)infin47這是是一一個個“殼”形單單元元，，可可用用“esurf”生成成模型型外外表表面面不不要要求求設設置置其其它它標標志志遠場場自自由由空空間間從幫幫助助（（Help））查看看infin47單元元30infin111磚型型單單元元本單單元元比比使使用用infin47更精精確確單元元的的外外表表面面要要求求設設置置標標志志Preproc>loads>apply>flags>-infinitesurface-onareas中間間節(jié)節(jié)點點適適用用于于具具有有中中間間節(jié)節(jié)點點的的六六面面體體單單元元（（solid98)31單元元邊邊列列式式是是一一種種最最先先進進的的用用于于模模擬擬三三維維（（3D））復雜雜鐵鐵磁磁模模型型的的計計算算方方法法自由由度度：：AZ(VOLT用于于交交流流或或瞬瞬態(tài)態(tài)分分析析））通量量垂垂直直條條件件:這是是自自然然邊邊界界條條件件，，不不要要求求施施加加。。這這種種條條件件加加到到模模型型邊邊界界，，不不用用約約束束和和耦耦合合通量平平行邊邊界條條件AZ自由度度必須須加約約束模擬時時使用用BH曲線ν-B2曲線必必須確確認為為“光滑”中間節(jié)節(jié)點32利用線線圈勵勵磁的的模型型與二二維（（2D）模擬相相似：：線圈圈區(qū)域域必須須為有有限元元網(wǎng)格格.電流密密度有有三個個分量量JSX,JSY,JSZ這些分分量對對應于于單元元坐標標軸方方向任意直直角坐坐標系系任意圓圓柱坐坐標系系總體坐坐標系系轉角部部分需需要JSY（局部柱柱坐標標系的的環(huán)向向方向向）直段部部分用用總體體坐標標系線圈區(qū)區(qū)截面面333DMVP列式自由度度：AX、、AY、AZ(VOLT用于交交流或或瞬態(tài)態(tài)分析析）通量垂垂直邊邊界條條件:這是自自然邊邊界