ANSYS電磁場(chǎng)培訓(xùn)手冊(cè)55

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(chǎng)分析要以三維（3D）方式進(jìn)行模擬沒有完全軸對(duì)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(duì)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(gè)匯流排3三維（3D）模擬具有平面和軸對(duì)稱組合部件的模型銜鐵外形復(fù)雜平面型定子具有確切外形的銜接和廉價(jià)迭片定子的致動(dòng)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(jī)，建立了2極模型定子、永磁體和轉(zhuǎn)子具有不同軸向長(zhǎng)度永磁體轉(zhuǎn)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(xiàng)包括對(duì)于所有三個(gè)方向的正交各向異性選項(xiàng)MURn和RSVn（n表示X、Y、Z三個(gè)方向）BH磁化曲線能用于磁導(dǎo)率正交各向異性的任一個(gè)方向，其余方向?yàn)槌?shù)在某正交各向異性方向應(yīng)用BH曲線時(shí)，該方向的MURn應(yīng)設(shè)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(yuǎn)場(chǎng)邊界單元與二維模擬相同，也支持復(fù)雜組合的物理區(qū)域交流分析的絞線導(dǎo)體與塊導(dǎo)體電壓與電流供電復(fù)雜鐵磁區(qū)域6具有模擬三維模型運(yùn)動(dòng)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(dòng)畫文件:mach3d.avi觀察轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)畫10極永磁電機(jī)，輸入正弦電流7單元列式直接影響到模擬的各個(gè)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(duì)收斂敏感性的影響ν-B2

曲線與μ-H曲線模擬激勵(lì)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(jì)算（電動(dòng)勢(shì)（EMF）計(jì)算的起始點(diǎn)）“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(biāo)量勢(shì)單元列式（靜態(tài)1）[SOLID96]簡(jiǎn)化標(biāo)勢(shì)法(RSP)用于沒有線圈的鐵-空氣界面模型差分標(biāo)勢(shì)法(DSP)用于具有單通量路徑的鐵-空氣界面模型通用標(biāo)勢(shì)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(duì)稱模型必須為全模型-不能有耦合磁矢量勢(shì)(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(shì)和界面單元INTER115，標(biāo)量法能用于交流和瞬態(tài)模擬9標(biāo)量勢(shì)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(yīng)的菜單來施加標(biāo)量法的通量平行條件，但只是一個(gè)注意項(xiàng)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曲線由下下面菜單單繪制Utility>plot>datatables曲線上沒沒有波紋紋，求解解收斂性性就很好好選擇OK11標(biāo)量勢(shì)的的激勵(lì)是是基于Biot-Savart計(jì)算的，，使用預(yù)預(yù)先定義義的線圈圈形狀-sourc36單元。因因此，對(duì)對(duì)應(yīng)于線線圈或桿桿導(dǎo)體的的有限元元區(qū)域不不必直接接建模（（象二維維磁矢勢(shì)勢(shì)分析那那樣）sourc36單元的幫幫助文件件中對(duì)線線圈原型型定義12線圈原型型常用于于某些類類型的致致動(dòng)器，，但多數(shù)數(shù)情況下下，該線線圈以ARC型和BAR型相組合合構(gòu)成“跑道”形線圈本章后面面對(duì)此有有詳細(xì)描描述ARC型構(gòu)成成跑道形形線圈轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角BAR型構(gòu)成跑跑道形線線圈直直邊13sourc36單元定義義它們不不要求求連接接成連連續(xù)單單元三個(gè)節(jié)節(jié)點(diǎn)用用于定定義線線圈原原型的的取向向和一一個(gè)特特征長(zhǎng)長(zhǎng)度在單元元實(shí)常常數(shù)中中定義義導(dǎo)體體厚度度和電電流（（安匝匝數(shù)）），模模型中中所用用厚度度相應(yīng)應(yīng)于導(dǎo)導(dǎo)線位位置而而不是是絕緣緣厚度度電流流流向?qū)τ趫D圖示線線圈：：線圈長(zhǎng)長(zhǎng)度:.05m厚度.02m線圈中中間點(diǎn)點(diǎn)半徑徑.10m取向:沿沿+Z安匝數(shù)數(shù):1,50014單元的的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)K處于線線圈中中心位位置即即節(jié)點(diǎn)點(diǎn)1(0,0,0)節(jié)點(diǎn)I處于線線圈中中間半半徑位位置即即節(jié)點(diǎn)點(diǎn)2(0.1,0,0)節(jié)點(diǎn)J決定了了線圈圈取向向的定定義，，即節(jié)節(jié)點(diǎn)3(0,0.1,0)生成單單元前前需要要定義義sourc36單元，，該單單元無無單元元類型型選項(xiàng)項(xiàng)Preproc.>elementtype>add/edit/delete[ADD]線圈實(shí)實(shí)例NodeJNodeINodeK箭頭方方向定定義電電源取取向（（右手手定則則15單元實(shí)實(shí)常數(shù)數(shù)設(shè)置置號(hào)應(yīng)應(yīng)該是是唯一一的，，或其其它相相同線線圈一一致。。實(shí)常常數(shù)應(yīng)應(yīng)在生生成單單元前前定義義。Preproc>realconstants選擇ADD選擇sourc36單元類類型.選擇OK16完成線線圈定定義選擇sourc36原型必須為為與單單元相相對(duì)應(yīng)應(yīng)的實(shí)實(shí)常數(shù)數(shù)安匝數(shù)數(shù)，方方向由由前面面幻燈燈片中中的紅紅箭頭頭所示示線圈厚厚度線圈軸軸向長(zhǎng)長(zhǎng)度DY、、DZ的單位位制要要與模模型一一致選擇OK17先生成成單元元前，，要設(shè)設(shè)置單單元屬屬性Preproc>create>elements>elemattributes單元類類型實(shí)常數(shù)數(shù)（如如前面面幻燈燈片所所定義義的））人工生生成單單元（（不用用自動(dòng)動(dòng)生成成網(wǎng)格格）Preproc>create>elements>-autonumbered-thrunodes(順次選選取節(jié)節(jié)點(diǎn)2,3和1））如果要要根據(jù)據(jù)實(shí)常常數(shù)中中設(shè)置置的尺尺寸來來顯示示線圈圈圖形形，則則圖形形設(shè)置置必須須變更更。Utility>plotctrls>style>sizeandshape選擇OK18在某些些情況況下，，要求求將“增強(qiáng)圖圖形”方式轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為為“全圖形形”方式Utility>plotctrls>style>hiddenlineoptions箭頭長(zhǎng)長(zhǎng)度由由繪圖圖控制制選項(xiàng)項(xiàng)控制制PlotCtrls>style>vectorarrowscaling注：在在標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)工具具欄中中可直直接設(shè)設(shè)置“增強(qiáng)圖圖形”（將其其關(guān)閉閉）19利用改改變實(shí)實(shí)常數(shù)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)可改改變線線圈特特征Preproc>realconstants選擇EDIT(初始生生成的的設(shè)置置）將0.05改為為0.1選擇OK20應(yīng)建完完整的的線圈圈組模模型實(shí)際上上有例例外線圈遠(yuǎn)遠(yuǎn)離鐵鐵芯區(qū)區(qū)域，，對(duì)鐵鐵芯內(nèi)內(nèi)磁場(chǎng)場(chǎng)產(chǎn)生生不重重要的的影響響模型中中只建建立了了2個(gè)個(gè)極和和1/2軸向長(zhǎng)長(zhǎng)度21標(biāo)量列列式包包括三三種型型式的的標(biāo)量量勢(shì)，，每一一種適適用于于特定定的物物理區(qū)區(qū)域?？梢圆刹捎煤?jiǎn)簡(jiǎn)化標(biāo)標(biāo)量勢(shì)勢(shì)(RSP)的物理理區(qū)域域有:鐵磁區(qū)區(qū)和永永磁體體無線圈圈的鐵鐵磁區(qū)區(qū)域無鐵磁磁介質(zhì)質(zhì)的線線圈22RSP優(yōu)點(diǎn):模擬分分析為為單步步求解解相對(duì)于于其它它標(biāo)量量方式式，其其計(jì)算算量最最小RSP缺點(diǎn):“數(shù)值相相消”使RSP方法在在鐵磁磁模型型內(nèi)不不能使使用sourc36單元?jiǎng)?lì)勵(lì)磁23RSP方法適適用于于模擬擬含有有鐵空空氣界界面和和永磁磁體的的系統(tǒng)統(tǒng)———分析析目的的為確確定轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與與轉(zhuǎn)角角的關(guān)關(guān)系10極迭片片電機(jī)機(jī)的2極，，每極極錐角角為15度度24差分標(biāo)標(biāo)量勢(shì)勢(shì)(DSP)方法可可用于于模擬擬:線圈與與鐵磁磁介質(zhì)質(zhì)區(qū)相相連永磁體體無鐵磁磁區(qū)的的線圈圈限制：：模型型幾何何體必必須滿滿足單單連通通條件件。當(dāng)鐵芯芯磁導(dǎo)導(dǎo)率接接近于于無限限大則則鐵介介質(zhì)中中磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)度度接近近零時(shí)時(shí)，可可確定定為單單連通通（致致動(dòng)器器、具具有空空氣隙隙電機(jī)機(jī)等））缺點(diǎn):求解為為二步步過程程25直線加加速器器的C形磁體體氣隙線圈產(chǎn)產(chǎn)生磁磁場(chǎng)控控制帶帶電粒粒子運(yùn)運(yùn)動(dòng)帶電粒粒子運(yùn)運(yùn)動(dòng)這是一一個(gè)當(dāng)當(dāng)鐵芯芯磁導(dǎo)導(dǎo)率變變得很很大時(shí)時(shí)，磁磁場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度接接近零零的實(shí)實(shí)例26DSP方法適適合于于模擬擬含有有鐵和和空氣氣界面面以及及sourc36單元電電流源源的系系統(tǒng)，，分析析目的的是確確定在在指定定定子子電流流形式式時(shí)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與與轉(zhuǎn)角角的關(guān)關(guān)系10極電機(jī)機(jī)的兩兩極模模型三相電電機(jī)的的繞組組截面面27通用標(biāo)標(biāo)勢(shì)法法適用用的物物理模模型:Sourc36單元可可與鐵鐵磁區(qū)區(qū)相連連磁體勵(lì)勵(lì)磁通量條條件可可以定定義通通量（（Webers）可在無無鐵芯芯介質(zhì)質(zhì)的模模型采采用Sourc36單元限制：：模型型幾何何體必必須滿滿足多多連通通條件件若當(dāng)鐵鐵介質(zhì)質(zhì)磁導(dǎo)導(dǎo)率為為無限限大時(shí)時(shí)，鐵鐵芯內(nèi)內(nèi)磁場(chǎng)場(chǎng)并不不接近近零，，則可可確定定為滿滿足多多連通通條件件（變變壓器器、導(dǎo)導(dǎo)磁體體、具具有多多通量量路徑徑的模模型等等）缺點(diǎn)：：要分三三步求求解28閉合磁磁路電電感線線圈實(shí)例：：當(dāng)鐵鐵芯磁磁導(dǎo)率率變大大時(shí)磁磁場(chǎng)不不為零零（多多連通通）29模擬遠(yuǎn)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)區(qū)域的的模型型有二二種遠(yuǎn)遠(yuǎn)場(chǎng)邊邊界單單元(infin47和infin111)infin47這是一一個(gè)“殼”形單元元，可可用“esurf”生成模型外外表面面不要要求設(shè)設(shè)置其其它標(biāo)標(biāo)志遠(yuǎn)場(chǎng)自自由空空間從幫助助（Help））查看infin47單元30infin111磚型單單元本單元元比使使用infin47更精確確單元的的外表表面要要求設(shè)設(shè)置標(biāo)標(biāo)志Preproc>loads>apply>flags>-infinitesurface-onareas中間節(jié)節(jié)點(diǎn)適適用于于具有有中間間節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的六六面體體單元元（solid98)31單元元邊邊列列式式是是一一種種最最先先進(jìn)進(jìn)的的用用于于模模擬擬三三維維（（3D））復(fù)雜雜鐵鐵磁磁模模型型的的計(jì)計(jì)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量平平行行邊邊界界條條件件AZ自由由度度必必須須加加約約束束模擬擬時(shí)時(shí)使使用用BH曲線線ν-B2曲線線必必須須確確認(rèn)認(rèn)為為“光滑滑”中間間節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)32利用用線線圈圈勵(lì)勵(lì)磁磁的的模模型型與與二二維維（（2D））模擬擬相相似似：：線線圈圈區(qū)區(qū)域域必必須須為為有有限限元元網(wǎng)網(wǎng)格格.電流流密密度度有有三三個(gè)個(gè)分分量量JSX,JSY,JSZ這些些分分量量對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)于于單單元元坐坐標(biāo)標(biāo)軸軸方方向向任意意直直角角坐坐標(biāo)標(biāo)系系任意意圓圓柱柱坐坐標(biāo)標(biāo)系系總體體坐坐標(biāo)標(biāo)系系轉(zhuǎn)角角部部分分需需要要JSY（（局部部柱柱坐坐標(biāo)標(biāo)系系的的環(huán)環(huán)向向方方向向））直段段部部分分用用總總體體坐坐標(biāo)標(biāo)系系線圈圈區(qū)區(qū)截截面面333DMVP列式式自由由度度：：AX、、AY、、AZ(VOLT用于于交交流流或或瞬瞬態(tài)態(tài)分分析析））通量量垂垂直直邊邊界界條條件件:這是是自自然然邊邊界界條條件件，，但但是是，，垂垂直直于于邊邊界界的的A分量量必必須須設(shè)設(shè)為為零零X-Y平面面,AZ必須須約約束束為為零零X-Z平面面,AY必須須約約束束為為零零Y-Z平面面,AX必須須約約束束為為零零34通量量平平行行邊邊界界條條件件模型型平平面面內(nèi)內(nèi)的的A分量量必必須須設(shè)