ansys電磁場仿真分析教程

1、1-1,目錄,第一章 電磁場仿真簡介. . . . . 第二章 二維靜態(tài)分析 第1節(jié). 第2節(jié). 第3節(jié). 第4節(jié). 第5節(jié). 第三章 二維諧波和瞬態(tài)分析 第1節(jié). 第2節(jié). 第四章 三維電磁場分析 第1節(jié). 第2節(jié). 第3節(jié). 第4節(jié). 第5節(jié). 第五章 耦合場分析概況.,1-4 2.1-1 2.2-1 2.3-1 2.4-1 2.5-1 3.1-1 3.2-1 4.1-1 4.2-1 4.3-1 4.4-1 4.5-1 5-1,1-2,第一章,教程綜述,1-3,ANSYS/EMAG能用于模擬工業(yè)電磁裝置 電磁裝置當然是3維，但可簡化 為2維模型 。 模擬可考慮為： 穩(wěn)態(tài) 交流（諧波） 時變

2、瞬態(tài) 階躍電壓 PWM(脈寬調(diào)制） （Pulse Width Modulation) 任意,1-4,利用軸對稱銜鐵和平面定子設(shè)計致動器的一個實例 銜鐵旋轉(zhuǎn) 銜鐵氣隙可變化 完整模型由2個獨立部件組成 銜鐵模塊 定子模塊,執(zhí)行: solen3d.avi看動畫,1-5,模擬過程概述,利用如下方式觀察裝置 2D與3D 平面與軸對稱 利用軸對稱平面簡化模型 定義物理區(qū)域 空氣，鐵，永磁體等等 絞線圈，塊導體 短路，開路 為每個物理區(qū)定義材料 導磁率（常數(shù)或非線性） 電阻率 矯頑磁力，剩余磁感應(yīng),銜鐵,線圈,錠子,實體模型,1-6,建實體模型 給模型賦予屬性以模擬物理區(qū) 賦予邊界條件 線圈激勵 外部邊界

3、 開放邊界 實體模型劃分網(wǎng)格 加補充約束條件（如果有必要） 周期性邊界條件 連接不同網(wǎng)格,有限元網(wǎng)格,1-7,進行模擬 觀察結(jié)果 某指定時刻 整個時間歷程 后處理 磁力線 力 力矩 損耗 MMF（磁動勢） 電感 特定需要,1-8,模擬由3個區(qū)域組成 銜鐵區(qū): 導磁材料 導磁率為常數(shù)（即線性材料） 線圈區(qū): 線圈可視為均勻材料. 空氣區(qū):自由空間 (r = 1) .,銜鐵,線圈,1-9,性質(zhì) 柱體: r = 1000 線圈: r = 1 匝數(shù): 2000 (整個線圈) 空氣: r = 1,激勵 線圈勵磁為直流電流: 2 安培,單位 (mm),銜鐵,Coil,長度=35,Y,X,模型 軸對稱,材料

4、號 2,材料號3,1-10,建模 設(shè)置電磁學預選項（過濾器） 對各物理區(qū)定義單元類型 定義材料性質(zhì) 對每個物理區(qū)定義實體模型 鐵芯 線圈 空氣 給各物理區(qū)賦材料屬性 加邊界條件,1-11,設(shè)置預選過濾掉其它應(yīng)用的菜單 Main menupreferences,選擇OK,1-12,定義所有物理區(qū)的單元類型為 PLANE53 PreprocessorElement typeAdd/Edit/Delete 選擇 Add 選擇磁矢量和8節(jié)點53號單元 選擇 OK,1-13,模擬模型的軸對稱形狀 選擇Options（選項） Element behavior（單元行為） 選擇 Axisymmetric（軸

5、對稱） 選擇OK,1-14,定義材料 PreprocessorMaterial PropsIsotropic,定義空氣為1號材料(MURX = 1),選擇 Apply (自動循環(huán)地定義下一個材料號）,選擇OK,1-15,定義銜鐵為2號材料,選擇OK,選擇 Apply (自動循環(huán)地選擇下一個材料號）,1-16,定義線圈為3號材料 (自由空間導磁率，MURX=1),選擇 OK,選擇 OK (退出材料數(shù)據(jù)輸入菜單）,1-17,建立銜鐵面 PreprocessorCreateRectangleBy Dimensions,選擇Apply (重復顯示和輸入) 建立線圈面,選擇 Apply,利用TAB 鍵移

6、動輸入窗口,1-18,建立空氣面,選擇 OK,到了這步，建立了全部平面，但它們還沒有連接起來.,銜鐵,線圈,1-19,用Overlap迫使全部平面連接在一起 PreprocessorOperate OverlapAreas 按Pick All,現(xiàn)在這些平面被連接了，因此當生成單元時，各區(qū)域?qū)⒐蚕韰^(qū)域邊界上節(jié)點,這種操作后，原先平面被刪除，而新的平面被重新編號,1-20,這些平面要求與物理區(qū)和材料聯(lián)系起來 Preprocessor-Attributes-DefinePicked Areas 用鼠標點取銜鐵平面 選擇OK (在選取框內(nèi)） 材料號窗口輸入2,選擇 OK,對于沒有明確定義屬性的面，其屬

7、性缺省為1,1-21,這些平面要求與物理區(qū)和材料聯(lián)系起來 Preprocessor-Attributes-DefinePicked Areas 選取線圈平面 （在選擇對話框里）點取OK 材料號窗口輸入3,點 OK,1-22,加通量平行邊界條件 Preprocessorloadsapply-magnetic-boundary-flux-parl 選On Lines并選取相應(yīng)的線 選 OK,“所選取的線”,“所選取的線”,注：未劃分單元前，加上這種邊界條件,1-23,生成有限元網(wǎng)格 利用智能尺寸選項來控制網(wǎng)格大小 Preprocessor-Meshing-Size Cntrls-smartsize

8、-basic,選擇OK,1-24,Preproc-Meshing-Mesh-Areas-Free 在選取框內(nèi)選擇ALL 選擇OK 打開繪制單元的材料屬性 UtilityPlotCtrlsNumbering,選擇 OK,1-25,力邊界條件標志需要單元部件，即一組具有 “名稱”的單元 把銜鐵定義為一個單元組件 選擇銜鐵平面 Utilityselectentities,用此選項在圖形窗口中選擇平面,再次選擇用APPLY,一旦銜鐵已選好，選擇OK (在選取框內(nèi)）,1-26,選擇與已選平面相對應(yīng)的單元,選擇 OK 圖示銜鐵單元 Utilityplotelements,銜鐵單元,用“面”,1-27,使單

9、元與銜鐵組件聯(lián)系起來 UtilitySelectComp/AssemblyCreate Component,選擇 OK,1-28,加力邊界條件標志 PreprocessorLoadsApply-Magnetic-FlagComp Force,選擇OK,施加兩個標志，用兩個不同的方法來計算力 Maxwells 應(yīng)力張量 虛功,即使只有一種選項，也要鼠標選取,1-29,以毫米單位生成的模型，最好把模型尺寸變換為國際單位制（變換系數(shù) =.001) 使整個模型激活 UtilitySelectEverything 縮放平面-不用拷貝 Preprocoperatescaleareas,選擇 OK,1-30

10、,給線圈平面施加電流密度 選擇線圈平面 UtilitySelectEntity,選擇OK ( 實體選擇框) 選擇線圈平面 選擇 OK (選取框內(nèi)),1-31,激勵線圈要求電流密度，故要得到線圈截面積. PreprocessorOperateCalc Geometric ItemsOf Areas 選擇OK 要用線圈面積來計算電流密度，將線圈面積賦予參數(shù)CAREA UtilityParameterGet Scalar Data,選擇 OK,1-32,下面窗口輸入面積的參數(shù)名，用于后面電流密度輸入,去掉面號（如果有的話）,這相應(yīng)于幾何面積總和,選擇 OK,1-33,把電流密度加到平面上 Prepr

11、ocessorLoadsApplyExcitationOn Areas (因為只激活了線圈平面，可在選取框內(nèi)選擇Pick All）,選擇 OK,1-34,進行計算 Solu-solve-electromagnetOpt & Solve,選擇OK,這些適用于用BH 數(shù)據(jù)來進行的分析，本題將忽略,1-35,生成磁力線圈 Postprocplot results2D flux lines 選擇 OK,使用缺省設(shè)置，選擇OK, （在通常情況下，可這樣做）,單元邊緣圍繞的一個紅色輸廓表示該區(qū)域為同類材料號,1-36,計算力 PostprocElec&Mag CalcComp. Force,選擇 OK,銜

12、鐵上力是在總體坐標系下表示的，此力的方向為使氣隙縮小,必須用鼠標選取,1-37,顯示總磁通密度值 (BSUM) PostprocPlot ResultsNodal Solution,選擇 OK,1-38,第二章 第2節(jié),二維靜磁學,1-39,EMAG 模擬的概念,模型邊界條件有: 磁通量垂直 磁通量平行 周期性對稱 * 偶對稱 奇對稱 根據(jù)單元方程式施加邊界條件 矢量(2D 或3D) 標量 (3D) 基于單元邊 (3D) *在第2章來討論,簡單勵磁的平面模型,A,A,B,B,線圈 (象征性的),鐵芯,空氣,1-40,在2D靜磁場、交流和瞬態(tài)分析中采用磁矢量勢方法(MVP) 此公式稱為MVP ，

13、磁通量密度(B) 等于矢量勢(A) 的旋度 B = Curl(A) 對于二維情況，A只有Z方向分量，在ANSYS中表示為“AZ” 自由度 模型有二種邊界條件描述 -Dirichlet條件（AZ約束） : 磁通量平行于模型邊界 Neumann 條件（自然邊界條件）:磁通量垂直于模型邊界,1-41,沿A-A 通量平行邊界條件需滿足： 模型中A-A 的左邊和右邊是相同的 幾何形狀相同 材料屬性相同 左邊和右邊勵磁相位差180度（即方向相反） 對稱平面邊界條件 沿A-A必須加約束,B,B,（1/2）對稱模型,Pole Face,A,A,Preproc.loadsapplyboundaryflux pa

14、rllines,1-42,半對稱模型與全模型比較： 磁通量密度是相同的 線圈上Lorentz 力是相同的 貯能為 1/2 極面上力為 1/2 加載電流密度與全模型相同,線圈 (象征性的),簡單導磁體的半對稱模型,1-43,沿B-B磁通量垂直邊條件需滿足 B-B線上下兩邊如下參數(shù)是相同的 幾何形狀 材料性質(zhì) B-B線上下兩邊勵磁相同 對稱面 (B-B)邊界條件 2D磁矢量勢(MVP)方式，無須處理 加載電流與全模型相同,Quarter symmetry model of the simple magnetizer,B,B,1-44,1/4模型與全模型比較 磁通密度分布相同 貯能為1/4 所示線圈

15、上的Lorentz力 1/2 作用在極面上力為1/2,勵磁體1/4對稱模型,B,B,1-45,單元plane13 and plane53 用于模擬2D磁場 Plane13: 4 節(jié)點四邊形 耦合場自由度：溫度，結(jié)構(gòu)，磁 電源為Z方向 B 為線性變化 適用于：,Plane13,變壓器 匯流排 傳感器 線性或任意 永磁系統(tǒng),螺線管磁體（致動器） 直線或旋轉(zhuǎn)電機 負載機械 機械力矩,1-46,plane53: 8 節(jié)點，四邊形 耦合場自由度: 磁 與電路單元耦合 電流為 Z 方向 B 可為二次非線性變化 通常情況下的推薦使用單元 適用于精度要求較高的分析 場量分析 大型機械力矩,中節(jié)點,1-47,定

16、義Plane13的單元類型和單元選項 Preprocelement type add/ edit/delete 選擇ADD 選擇Plane13,用單元類型號給平面賦屬性,選擇OK,1-48,一旦定義單元類型，要選擇單元 選項 單元選項控制: 2D直流模擬為AZ自由度 2D 模擬型式 軸對稱 平面 點取單元選項,1-49,幾何體型式,用于直流模擬,選擇 OK,用于定義平面屬性的參考號,因為plane13 用于耦合場模擬，故該單元可以具有應(yīng)力/應(yīng)變結(jié)構(gòu)選項,1-50,平面與軸對稱比較 端部效應(yīng) 平面: 不包括 軸對稱: 自動包括 正向電流方向相反,線圈 兩種情況都是施加正向電流,鐵板,磁流密度矢量

17、顯示,鐵環(huán),軸對稱: +Z 電流方向進平面,平面: +Z 電流方向出平面,1-51,磁力線描述 平面: AZ等值線 軸對稱: r AZ 等值線,電樞,線圈,定子,平面或 軸對稱 ?,平面或 軸對稱 ?,1-52,力、能量、電感的描述 平面: 單位長度 軸對稱: 整個圓周上的值 力: 軸對稱: 無有效徑向力（相互平衡） 單位弧度力不為零（曲度線圈）,1-53,定義Plane53的單元類型和選項 Preproc.element typeadd/ edit/delete 選擇 Add 選擇 8節(jié)點Plane53,增加單元類型號以給平面賦屬性,選擇 OK,1-54,定義單元類型后選擇單元選項 單元選項

18、控制: 絞線圈電壓加載選項 * 連接電路單元與有限元區(qū)* 模擬運動體的自由度,*包括交流分析,plane53單元模擬運動導體示圖,選擇OK,1-55,考慮速度效應(yīng)時，要求增加輸入信息 在實常數(shù)中定義。選擇單元選項后，定義實常數(shù)是很方便的 Preprocreal constants.,選擇,1-56,平面屬性要求實常數(shù)設(shè)置號,速度單位: 米/秒 角速度單位: 弧度/秒,選擇 OK,平面屬性要求賦予單元類型號數(shù),1-57,第二章 第 3節(jié),2-D靜磁學,1-58,求解模型的單位制 : SI,分析中使用的單位制為國際單位制: S I,力 (牛頓） 能量(焦耳 ） 功率（瓦） 長度（米） 時間（秒）

19、質(zhì)量（公斤）,磁通密度B（特斯拉） 磁場強度H（安培/米） 電流（安培） 電阻率 （歐姆-米） 電壓V（伏） 電感L（亨） 磁導率r (亨/米） 電容（法拉）,1-59,基本關(guān)系式: B= H, 其中 = r 0 可為單一值（線性） 各相同性或正交各向異性 Preprocmaterial propsisotropic,平面屬性要求賦予材料質(zhì)性號,r 相對磁導率,1-60,可為非線性，以模擬飽和狀態(tài) BH曲線數(shù)據(jù)能從ANSYS55材料庫中獲得 缺省的BH材料庫在ansys55 目錄下的matlib子目錄中 : Preproc.material propsmaterial librarylibra

20、ry path,通過指定路徑可在其它位置得到材料數(shù)據(jù),1-61,BH 數(shù)據(jù)可用如下方式輸入 Preprocmaterial propsmaterial libraryimport library,選擇材料,選擇材料屬性,選擇 OK,1-62,BH 數(shù)據(jù)生成圖形和列表顯示,表示在列表顯示中的數(shù)據(jù)點號,材料號,1-63,數(shù)據(jù)也可列成表格. 這種表格也能人工制成 Utilitylistpropertiesdata tables,選擇OK,1-64,BH曲線輸入指南,數(shù)據(jù)點(0,0) 不要輸入 定義曲線彎曲處的數(shù)據(jù)點要密（見M54的數(shù)據(jù)點） BH曲線要避免生成S形 通常M鋼定義BH數(shù)據(jù)到8,000 A

21、/m 數(shù)據(jù)需要外推 這些曲線的值通常需要附加大量的數(shù)據(jù)以使得值由大逐漸變到最終斜率 最終斜率為空氣值(0),1-65,BH 數(shù)據(jù)輸入,應(yīng)用實例: 400系列不銹鋼輸入如下數(shù)據(jù),H(A/m) B(T) 790. 0.77 1575. 1.10 2365. 1.30 7875. 1.50 15750. 1.56 31500. 1.63 47245. 1.66 78740. 1.70,1-66,首先定義數(shù)據(jù)表，然后把BH數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)表中 Preproc material propsdata tablesdefine/activate,平面屬性要求賦予材料號,選擇OK,1-67,利用編輯激活表格輸入B

22、H數(shù)據(jù) Preproc material propsdata tablesedit active,輸入數(shù)據(jù)后，用鼠標點取 FileApply/Quit 圖示: Preprocmaterial propsdata tablesgraph 列表: Preprocmaterial propsdata tableslist,1-68,實際求解需要用到 d/ dB2 為避免粗劣的v=Yu 條件曲線， - B2 應(yīng)該是單調(diào)的。 Utilityplotdata tablesgraph NU vs. B*2,1-69,把該曲線數(shù)據(jù)放置在庫內(nèi) ，以備將來使用。 Preproc.material propsmat

23、erial libraryexport material,選擇文件名,選取生成的BH 數(shù)據(jù)的材料屬性,1-70,應(yīng)用實例: 軸對稱直流致動器,課題描述 軸對稱 線圈為直流供電 銜鐵居中但懸空在定子上方。 分析順序 用axis2d宏建模 完成建模后，加邊條件 求解 后處理,力 磁動勢 誤差范數(shù) 電流,磁力線 路徑圖示 能量 電感,“氣隙” (mm),“線圈”部件,“銜鐵”部件,材料號5 (同銜鐵),1-71,勵磁 直流施加到線圈: 3 安培,性質(zhì) 銜鐵/定子: 上述BH 曲線 線圈: 300 匝, 26線徑，r = 1 空氣: r = 1,單位: 毫米(mm),1-72,對于大多數(shù)應(yīng)用，通常指定

24、電壓，線圈電流是算出來的. 26線規(guī)直徑 (Dw )= 0 .404 mm (在20攝氏度下) 銅電阻率 () = 17.14 E-9 - m（在20攝氏度下） 匝數(shù) (N) = 300 線圈中徑為8 mm (Rmid) 均勻填充圓線圈的電阻為： R = 16000 N Rmid / Dw2 R = 4.03 對于靜態(tài)分析，12 V 電壓相應(yīng)的電流為2.98安，本分析采用3安。,1-73,參數(shù)化建模需要： 參數(shù)GAP必須定義 在命令行輸入 gap=.5 并回車,點取OK,選擇分網(wǎng)密度 Preprocsize cntrlbasic,1-74,axis2s宏生成模型 銜鐵單元部件ARMATURE

25、線圈面積參數(shù)ACOND 線圈單元部件 COIL,在ANSYS命令窗口輸入axis2s并回車，以建立模型,1-75,材料號 1為空氣 完善邊界條件 通量平行邊界條件 Preprocloadsapplyboundary-flux par l-lines 選擇模型邊界上的所有線,1-76,如下方式定義材料號 1（自由空間磁導率） Preprocmaterial propsisotropic,選擇OK,選擇OK,1-77,給線圈平面加載線圈電流 Preprocloadsapply excitation-current density-areas 選擇線圈平面,選擇 OK,1-78,給銜鐵加力邊界條件標

26、志 PreprocessorLoadsApply-Magnetic-FlagComp Force,選擇 OK,用不同的方法計算力，故加載兩種標志 Maxwell 應(yīng)力張量 虛功,選擇 ARMATURE,1-79,選擇所有幾何和有限元實體 進行模擬 Solutionelectromagneticopt&solve 選擇 OK（采用缺省設(shè)置進行求解）,請確認,1-80,磁力線 Postprocplot results2D flux lines 注意漏磁位置 線圈區(qū) 定子上角 定子與銜鐵交界位置,1-81,計算力 Postprocelec&mag calccomp.force,軸對稱模型只產(chǎn)生垂直方

27、向力 定義單元表項 FVW_Y 虛功Y方向力 FMX_Y Maxwell應(yīng)力Y方向力 環(huán)狀模型力總和,選擇 OK,1-82,用與銜鐵鄰接的空氣單元來計算銜鐵力，并顯示 首先選擇空氣單元,1) 首先選擇空氣單元- 材料屬性為1,選擇 Apply,2) 用 Num/Pick從中選取鄰近銜鐵面空氣單元,用框選取,1-83,虛功方法計算垂直力并用等值圖顯示 Postprocplot resultselem table,在氣隙中選取空氣單元,選擇OK,1-84,用路徑圖示選項(PATH) 能獲得沿銜鐵面的力的分布圖 必須定義路徑 Postprocpath operationsdefine pathby

28、nodes,點取節(jié)點 2,給一個任意的名字,增加沿路徑的數(shù)據(jù)采樣點的數(shù)量,點取節(jié)點 1,選擇 OK,1-85,路徑定義信息如下 路徑內(nèi)的結(jié)果插值是在總體坐標系下（與柱坐標系或其它局部坐標系相比） 路徑由直線組成,1-86,單元表項FVW_Y 中的力必須插值到路徑上 Postprocpath operationsmap onto path,任意名,選擇 ETAB.FVW-Y,選擇OK,1-87,將FVW_Y沿路徑顯示 Postprocpath operations -plot path items- on geometry,路徑圖示迭加在幾何體上,已定義,將路徑顯示圖縮放到一個較好的程度,選擇

29、OK,1-88,節(jié)點,作用在銜鐵上的垂直方向力的路徑圖示,1-89,離路徑節(jié)點節(jié)點1的距離,路徑上的力(F_Y) 也能打印輸出 Postprocpath operationslist path items,選擇OK,1-90,線圈Lorentz力（J x B） 選擇線圈區(qū)域并定義為一個部件。 Utilityselectcomp/assemblyselect comp/assembly 選擇線圈 為Lorentz 力定義單元表 Postproelement tabledefine table,選擇,1-91,任意名,作用于整個圓環(huán)上的 X 方向的Lorentz 力,選擇 OK,選擇 Add,1-

30、92,線圈X方向 Lorentz 力的等值圖 Postprocelement tableplot elem table,選擇 OK,1-93,作用在線圈單元上的總力 Postproelement tablesum of each item,該操作作用于全部激活單元上 相當于360圓周上的受力 力單位為牛頓: N,1-94,根據(jù)節(jié)點磁場值差異估計誤差，且作為單元表數(shù)據(jù)貯存 Postpromag&elec calc error eval,B_ERR 單位 (T) H_ERR 單位 (Amps/m) BN_ERR 和HN_ERR 由最大值歸一化,1-95,BN_ERR 能用磁力線圖進行等值顯示 圖示

31、 BN_ERR單元表項 Postproelement tableplot elem table,選擇 OK 激活NOERASE 選擇 Utilityplot cntrlserase options,1-96,圖示磁力線 Postproplot results2D flux lines 選擇OK,1-97,線性和非線性材料的共能計算 Postproelec&mag calccoenergy 選擇OK,1-98,也能計算貯能 Postprocelec&mag calcenergy,注：鐵的共能大約是貯能的8倍，表示鐵的飽和效應(yīng)所致,1-99,鐵單元的磁導率能用等值圖顯示 Postproelemen

32、t table 選擇ADD,plane53 單元在線幫助,選擇 OK 這是絕對磁導率,1-100,為了獲得相對磁導率，單元表應(yīng)乘以MUZ系數(shù) 將自由空間磁導率賦予參數(shù): MUZ=12.57x10-7 Postproelement tableadd items,用已有名字,自由空間磁導率參數(shù),不需要第二個單元表項,選擇OK,1-101,用等值圖顯示相對磁導率MUR Postproelement tableplot elem table,注意飽和區(qū),選擇t OK,1-102,沿閉合線計算磁動勢 MMF 確保整個模型都被激活 必須定義圍繞線圈的路徑 Postproelec&mag calcdefin

33、e pathby nodes,選取如圖所示的7個節(jié)點，可從任一節(jié)點開始,路徑的最終節(jié)點應(yīng)與起始節(jié)點是同一個,跨越空氣隙時，氣隙兩邊的鐵邊界上各選取一個節(jié)點,1-103,完成路徑定義,由于鐵與空氣的界面處H值不連續(xù)，故應(yīng)增加采樣點的數(shù)目,選擇OK,1-104,繞閉合回線計算MMF Postproelec&mag calcMMF 選擇 OK,MMF正負號由右手定則決定，路徑的反時針方向與線圈電流的方向相反（對于軸對稱模型，正電流方向為進行平面方向）,1-105,為了確定鐵芯飽和程度，沿定子的中間部分定義一個路徑并計算MMF,選取節(jié)點 1,選取節(jié)點2,MMF = -384 A-t,1-106,輸入的

34、總安匝數(shù)為900，鐵芯的中間部位有384安匝，也就是空氣隙中只有519安匝（忽略其余鐵芯中的磁動勢） 如果384安匝中的大部分都在空氣隙中，磁力會有多大？對于本問題，電磁力至少會增加2倍。 可用另一種方法顯示這一點：將鐵芯的磁導率設(shè)為1000，進行線性求解,評述,1-107,檢查邊界條件的正確與否非常重要 模型邊界磁力線的檢查 通量平行（用磁力線圖檢查） 通量垂直（用磁力線圖檢查） 電流觀察 選擇線圈組件 Postproelec&mag calccurrent 選擇OK,1-108,對于線性系統(tǒng): Postproelec&mag calcTerminal par 對于非線性系統(tǒng)一兩種理論選項

35、割線定義 增量定義 簡易割線計算 利用共能 (C) ， L = 2 Ci2 ， 仿照電機計算 更精確的方法: LMATRIX 宏 Solumagneticinductance 見幫助文檔中的說明和實例,電感計算,1-109,第二章 第4節(jié),二維靜磁學,1-110,永磁體,線性永磁體 感應(yīng)曲線為線性 可模擬大部分稀土磁體 計算需要有“感應(yīng)曲線” 要求兩種材料性質(zhì) 相對磁導率 r 各向同性 正交各向異性 矯頑磁力 Hc 矢量值 利用單元坐標系定義材料性質(zhì) 缺省: 總體直角坐標系,H (Amp/m),B(T),Br,Hc,固有曲線,感應(yīng)曲線,第二象限曲線圖,稀土磁體典型曲線,1-111,r 和Hc

36、可以是隨溫度變化 磁化方向 平行/垂直于磁體中心線 相對于某中心點徑向/環(huán)向 材料庫中不提供r 和 Hc的缺省值。 現(xiàn)代技術(shù)的進步使磁體性能不斷提高,年代,1-112,相對于直線感應(yīng)曲線的磁體只要求Hc和一個單值的磁導率 對于永磁材料，為了改善精度，利用剩磁感應(yīng)密度(Br) 和Hc 來計算磁導率,r = Br /(0 Hc),為使用方便，自由空間磁導率參數(shù)MUZ可以在命令窗口輸入 MUZ=acos(-1) * IE-7 缺省值時，角度的單位為弧度。用SIN或COS 函數(shù)來計算Hc的分量時，常用“度”單位。因此角度的單位要變換： Utilityparametersangular units,選擇

37、 OK 在輸入窗口中輸入HC*COS(60) 來代替數(shù)值輸入,1-113,各向同性 單元坐標系缺省為總體直角坐標系 Preprocmaterial propsisotropic,材料 2,磁化方向平行于總體坐標+ X 方向 Br = 1T Hc=700,000 A/m,空氣,選擇 OK,選擇 OK,1-114,正交各向異性 單元坐標系缺省為總體直角坐標系 Preprocmaterial propsorthotropic,材料 2 磁化方向為總體坐標+X 方向反時針旋轉(zhuǎn)60 度 Br=1 Hc=700,000 A/m,選擇 OK,選擇 OK,1-115,Hc值仍然為700,000 A/m Hc是

38、在總體直角坐標下表示的 由于模型對稱， B的最大值不變,材料 2,1-116,問題描述 平面，園環(huán)磁體 磁體四極設(shè)置在磁體外圓圈上 磁化方向為極向（柱坐標系） 分析目的 模擬磁化特性,S,N,應(yīng)用永磁體,S,N,磁極中心（象征性的）,1-117,屬性 磁體: Hc = 50,000 A/m Br = 850 Gauss 尺寸: 內(nèi)徑 = .5 cm 外徑 = 1 cm 勵磁: 沒有,永磁體,1-118,對稱條件 只需模擬一個磁極 邊界條件 側(cè)邊: 通量平行 外半徑: 通量垂直 為了確定外半徑上的磁極中心，需要定義一個局部坐標系，該局部坐標系的X軸為總體X軸反時針旋轉(zhuǎn)45度,通量平行條件,磁極中

39、心,1-119,輸入cir1pole.mac宏建立模型 定義材料2的磁體性質(zhì) Preprocmaterial propsorthotropic,材料 2,材料 1,選擇 OK,1-120,輸入Y方向磁體屬性（柱坐標系的切線方向，該坐標系待后定義）,選擇OK,選擇OK 輸入空氣的各向同性磁導率（材料1） Preproc.material propsisotropic,選擇OK,1-121,在外半徑上離總體坐標系+X 軸45度處，定義局部坐標11 Utilityworkplanelocal coord. systemscreate local CSat specified loc,在ANSYS輸入

40、窗口中，利用外半徑0.01，角度45，輸入局部坐標系原點位置坐標 回車（鍵盤） 在建立局部坐標系框內(nèi)選擇OK,1-122,定義了局部坐標系11后，在單元圖上會顯示其標志,11號局部極坐標系，其與磁極中心相對應(yīng),1-123,輸入11以標志該坐標系,選擇坐標系的類型,在命令行輸入的參數(shù)表達式的結(jié)果,選擇 OK,1-124,磁體單元的單元坐標系(ESYS) 屬性相應(yīng)于11號局部坐標系 改變單元坐標系 通過材料屬性(2)選擇磁體單元 Utilityselectentitieselementsby attributesmaterial 2 Preprocmove/modifymodify attrib

41、在選擇框內(nèi)選擇“Pick All”,選擇 OK,1-125,在模型側(cè)邊施加通量平行邊界條件. Preprocloadsapplyboundary-flux parl-on lines 進行求解 Soluelectromagneticopt&solv,1-126,圖形顯示磁力線 觀察通量平行邊界條件 在磁體平面內(nèi)磁力線呈圓形性質(zhì) 由于磁體磁導率低而產(chǎn)生漏磁,1-127,利用磁通密度的矢量圖能觀察場量的大小和方向,選擇 OK,1-128,磁通密度B的方向相應(yīng)于MGYY和11號坐標系正切向,1-129,磁體非線性感應(yīng)曲線也能用于模擬. MGXX, MGYY 視為線性磁體輸入 感應(yīng)曲線用與非永磁體材料

42、相同的方法輸入 感應(yīng)曲線的輸入值被偏置一個Hc 值,Br (T),B (T),Hc (Amp/m),H (Amp/m),1-130,Hc = 50,400 (Amp/m) 單位: H(Amp/m) & B (T),ALNICO 5 系列材料實例,輸入數(shù)據(jù)的BH曲線,1-131,最后數(shù)據(jù)點所對應(yīng)的H值應(yīng)于比Hc大 最末斜率接近于自由空間的磁導率 第一個數(shù)據(jù)點并不是原點（即（0，0）點不需要輸入）,觀察結(jié)果,1-132,第二章 第5節(jié),二維靜磁學,1-133,耦合和約束方程,應(yīng)用 問題描述 平面磁性離合器 六極裝置 平行磁化 分析目的 利用奇對稱周期性條件來模擬1/6模型 計算圖示狀態(tài)的力矩,定子

43、,磁性離合器,轉(zhuǎn)子,1-134,性質(zhì) 定子和轉(zhuǎn)子磁體: Hc = 750,000 A/m Br = .9896 (r=1.05) 定子和轉(zhuǎn)子磁體 SA1010 轉(zhuǎn)子磁化方向 (水平方向反時針30度） 定子磁化方向：水平 模型參數(shù) 半徑單位(R) : 英寸 勵磁: 無,磁離合器1/12模型,轉(zhuǎn)子鐵，材料 2,轉(zhuǎn)子磁體，材料 3,定子磁體，材料 6,定子鐵，材料 5,(上面只顯示了一半模型),1-135,利用clutch.mac宏命令建模 實體模型和單元（國際單位制） SA1010系列鐵 將定子磁體單元和鐵單元定義為一個部件S_IRON 每個轉(zhuǎn)子磁體各有一個單元坐標系,材料號,該磁體單元的X方向為

44、11號局部坐標系的X方向,該磁體單元的X 方向為12號局部坐標系的X方向,1-136,對材料2和3定義為各向同性磁體性質(zhì) Preproc.material propsisotropic,重復這些步驟，定義定子磁體材料3,選擇 OK,選擇OK,1-137,為轉(zhuǎn)子磁體平行磁化方向定義11號局部坐標系 水平方向反時針30度（總體坐標+X 軸） 局部坐標系原點與總體坐標系一致 Utilityworkplanelocal coord. systemscreate local CSat specified location,回車（鍵盤） 在選擇框選取OK,1-138,11號局部坐標系的X軸與總體坐標系X軸

45、的夾角,選取OK,1-139,采用與前面相同的方法為下面轉(zhuǎn)子磁體建立12號局部坐標系,下面轉(zhuǎn)子磁體是-30, 但方向相反 (180 ),選擇OK,0,-30+180,1-140,為了觀察單元坐標系的變化，要激活單元坐標系標記 Utilityplot cntrlssymbols,選擇 OK,“白”“綠”坐標軸分別相應(yīng)于單元軸的X、Y方向,1-141,給定子外半徑加上通量平行條件 Preprocloadsapplyboundary-flux par lon lines (選擇定子鐵體外半徑上弧線) 通過強迫內(nèi)半徑上節(jié)點的MVP保持常數(shù)，在轉(zhuǎn)子鐵體內(nèi)半徑上施加通量平行邊界條件 選擇轉(zhuǎn)子內(nèi)半徑上節(jié)點

46、對內(nèi)半徑上節(jié)點進行耦合 Preproccouple DOFs （在選擇框選擇pick ALL ),選擇OK,1-142,激活總體坐標系 Utilityworkplanechange active CSglobal CS 識別模型內(nèi)外半徑位置 關(guān)鍵點 9 : 模型內(nèi)半徑上 關(guān)鍵點19 : 模型外 半徑上,1-143,周期性邊界條件必須施加到離合器兩側(cè) Preprocloadsboundary periodic BCs,選擇OK,用關(guān)鍵點函數(shù)功能得到內(nèi)外半徑的值,選擇OK,模型另一側(cè)邊的位置,1-144,磁離合器1/6模型邊界條件,耦合使內(nèi)半徑滿足通量平行條件,各自的約束方程保證了奇對稱條件,強制

47、約束使外半徑滿足通量平行條件,1-145,利用求解時貯存的單元數(shù)據(jù)來計算力矩，故必須設(shè)置力矩計算標志 Preprocloadsapplyflagcomp. Force/torq (利用宏命令定義的 S_IRON 組件),施加相應(yīng)的表面標志以計算力/力矩,(只圖示模型上半部分）,1-146,求解計算 Soluelectromagnetopt&solv,磁力線圖,1-147,計算力矩 Postprocelect&mag calccomp. Torque (選擇 S_IRON 組件),力矩作用于定子 注意：力矩單位為單位長度牛米,1-148,利用Maxwell應(yīng)力張量方法由路徑計算也能計算力矩 Po

48、stproelec&mag calccircular torq,計算力矩時的圓形路徑半徑,選擇 OK,1-149,力矩作用在轉(zhuǎn)子上使定子和轉(zhuǎn)子磁極成一直線排列,力矩計算路徑,1-150,模擬有許多磁極的電機，周期性邊界條件非常有用 右圖顯示的是一個10極永磁電機 模擬轉(zhuǎn)子的運動。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，電流會變化。 定子槽內(nèi)顯示電流密度 本模型也允許轉(zhuǎn)子和定子相互獨立 觀看動畫，可執(zhí)行動畫文件: mach2d.avi,定子,轉(zhuǎn)子,1-151,約束方程不相同網(wǎng)格,應(yīng)用,問題描述 軸對稱致動器 分析目的 計算銜鐵在任意垂直位置時的電磁力,線圈,定子,銜鐵,1-152,性質(zhì) 定子/銜鐵：鐵介質(zhì) r = 100

49、0 線圈: 空氣磁導率 空氣: 空氣磁導率 勵磁 4000 安匝,銜鐵運動方向,銜鐵材料 4,定子材料 4,線圈材料 3,1-153,輸入宏命令mv_arm.mac建立模型 實體模型和單元（SI 單位制） 磁化率 = 1000 銜鐵單元組件A_IRON 銜鐵單元和節(jié)點組件ARMATURE 線圈為4000安匝,模型在此線上不相連,1-154,連接不相同網(wǎng)格需要有： 網(wǎng)格較細的一邊的節(jié)點 另一邊的單元 將定子一側(cè)邊界上的節(jié)點建立組件. 選擇定子模型邊界上線段 選擇STATOR組件 再選擇邊界上線段 選擇所選線段上的全部節(jié)點 建立單節(jié)點組件CE_N,定子內(nèi)半徑全部節(jié)點,1-155,選擇銜鐵組件ARM

50、ATURE 選擇節(jié)點組件 CE_N 應(yīng)用約束方程生成器 Preproccoupling/ceqnadjacent regions,選擇 OK,1-156,節(jié)點上施加通量平行條件，但不包括約束方程所含節(jié)點 激活全部單元 選擇外部節(jié)點 不選約束方程中節(jié)點 （最大約束方程數(shù)為1000） Preproc.loadsapplyboundary flux -parl- on nodes (選擇pick all）,生成約束方程,1-157,對銜鐵施加力邊界條件標志 PreprocessorLoadsApply-Magnetic-FlagComp Force,選擇 OK,產(chǎn)生運動后，銜鐵力標志仍然有效,1-1

51、58,執(zhí)行求解 全部激活 Soluelectromagnetopt&solve 圖示磁通密度 Postprocplot resultsnodal solution 弱場顯示有嚴重漏磁 注：磁力線和磁通密度在邊界上連續(xù),BSUM (T),磁通密度和磁力線迭加顯示,1-159,利用求解時所得力求和而得到垂直力 Postproelec&mag calccomp. Force (應(yīng)用 A_IRON組件),作用在銜鐵上的力迫使銜鐵向下運動,1-160,利用move/modify 菜單使與銜鐵相關(guān)的平面向下運動 選擇 ARMATURE組件 Preprocmove/modifyareas (選擇pick A

52、LL),銜鐵向下運動距離,選擇 OK,1-161,銜鐵需要與定子重新相關(guān)聯(lián) 首先刪除已存在的約束方程 Preproccouple/ceqndel constr eqn,選擇 OK 與前面一樣重新設(shè)置銜鐵的關(guān)聯(lián) 對除有約束方程的節(jié)點外的所有外部節(jié)點重新施加平行條件 執(zhí)行求解,1-162,BSUM (T),顯示磁通密度和磁力線迭加圖 由于銜鐵位置改變，磁力線隨著變化 定子內(nèi)最大磁密BSUM增大 模型交界處磁場連續(xù),1-163,利用下面菜單求得垂直力 Postproelec&mag calccomp. Forces (應(yīng)用 A_IRON 組件）,1-164,將執(zhí)行單個求解的命令放在用APDL做的do

53、循環(huán)中，就可以執(zhí)行一系列求解，如動畫所示 觀察動畫，執(zhí)行動畫文件: mv_arm.avi,1-165,第三章 第1節(jié),2-D交流和瞬態(tài)分析,1-166,交流模擬的基本概念,交流模擬是一種隨時間變化的模擬 假定勵磁為正弦波,角 (度),勵磁電壓 (V) 電流密度 (A/m2),1-167,可用兩個場分量來表示 電相角為0場分量 電相角為90場分量 考慮一個導電桿 在一個絞線線圈中,1-168,通量平行條件,通量垂直條件,絞線圈,二維軸對稱有限元模型,電流密度: 1E6 A/m2 頻率: 100Hz,導電桿,1-169,二種求解結(jié)果: 實數(shù)解: 線圈勵磁相位0度 虛數(shù)解：相位差90度,實數(shù)解,虛數(shù)

54、解,1-170,利用這兩種求解結(jié)果，任何時間處的場量都能用迭加的方法來生成,執(zhí)行動畫文件：acaz.avi觀察場動畫,1-171,根據(jù)Faradays 定律，線圈中的時變電流會在導體中感生電流,執(zhí)行動畫文件acjt.avi ，觀察電流動畫,1-172,其他假定 模擬只考慮感應(yīng)效應(yīng) Faradays定律 在絞線圈中感生電流 在大導體內(nèi)電流會重新分布 不考慮射頻效應(yīng) 模擬是線性的 幾何體不變 保持均勻性條件 如果用BH曲線描述材料性質(zhì)，就可以模擬飽和狀態(tài),1-173,導電桿中最值得注意的電流效應(yīng)是感生電流的非均勻性,桿中心,桿外半徑,(m),1-174,集膚效應(yīng)是由Amps 定律和Faradays

55、定律耦合而產(chǎn)生 無源、半平面導體電場每隔如下厚度衰減1/ e： = ( f) -1/2 (m) 式中 = 磁導率 = r 0 = 電導率= 1 / =電阻率 (Ohm-m) f = 頻率(Hz),1-175,導電桿取下列數(shù)據(jù):, = 100 0 0 = 1.2566E-6 (H/m) = 2E-7 (Ohm-m) f = 100 (Hz) 代入, =(3.1415)(100)(1.2566E-6)(.5E+7)(100) -1/2 =.0023 m =2.3 mm 與圖形相對應(yīng)，從外半徑（7.7mm）向內(nèi)2.3mm，由于軸對稱形狀的影響，電流衰減值大于表面電流值的1/e (2.71) 。,1-176,模擬交流狀態(tài)，有三種基本物理考慮 (1) 模擬施加到線圈/導電桿上的功率的方法 施加電流邊界條件 已知電流值 致動器 感應(yīng)加熱 施加電壓邊界條件 不知道電流值 電機 施加了任意載荷的非理想變壓器,1-177,(2) 導電體類型 絞線型導體: 導體是否細到足以忽略渦流效應(yīng)的影響? （渦流效應(yīng)以非均勻的方式重新分布電流） 典型應(yīng)用: 變壓器繞組 電機繞組 致動器繞組,1-178,塊導體: 導體大到足以允許渦流的產(chǎn)生。 場量和電流的峰值在一個或多個面上會重新分布,典型應(yīng)用: