二维时谐分析 Ansys工程电磁场有限元分析 华科电气.doc

第三章 二维时谐分析（2-D Harmonic (AC) Analysis）分析对象：正弦交变电流产生的效应 Eddy currents涡流 Skin effects集肤效应 Power loss due to eddy currents涡流损耗 Forces and torque力和力矩 Impedance and inductance阻抗和自感 Two contacting bodies with dissimilar meshes不同网孔（如转子/定子气隙）典型应用： Transformers变压器 Induction machines电感器 Eddy-current braking systems涡流刹车系统 Most electromagnetic devices that work on AC交流电磁装置不能有永磁体，不考虑磁滞效应。3.1 线性分析与非线性分析 严格上讲，时谐分析只适用于线性分析。 中等饱和的非线性问题，如果不关心波形畸变，只关心时间平均的量，则可分析。 B-H曲线为等效值。 严格的非线性分析只能通过瞬态分析完成。3.2 所用的单元实体单元：单元形状特点节点自由度PLANE134节点四边形或3节点三角形至多4个：磁矢位 (AZ), 位移, 温度, 时间积分电位VPLANE538节点四边形或6节点三角形至多4个：磁矢位 (AZ), 时间积分电位V，电流，电动势降远场单元：单元形状特点节点自由度INFIN92节点线段Magnetic vector potential (AZ)INFIN1104节点 或8节点四边形至多3个：磁矢位 (AZ), 时间积分电位V，温度电路单元：单元形状特点节点自由度CIRCU1246节点 至多3个： 电位、电压、电动势降3.3 创建2D时谐分析物理环境自由度选项 AZ：无外加电压；用于短路导体 AZ-VOLT：允许外加电压，可模拟多种状况Note： (time-integrated potential)，（单位：V s）。同一断面上V是常数。使用时需要对所有相关节点进行耦合。 AZ-CURR：用于电压源驱动的线圈（线圈不计涡流）模型物理特性设置 短路导体短路导体DOFs: AZ材料属性: mur, (MURX), rho (RSVX)涡流形成回路；没有电压降 开路导体：耦合电位；无净电流开路导体DOFs: AZ, VOLT 材料属性: mur (MURX), rho (RSVX)Special characteristics: Couple VOLT DOF 载流块导体：耦合电位；有净电流载流块导体 DOFs：AZ, VOLT 材料属性： mur (MURX), rho (RSVX) 特点：耦合电位； 对一节点施加总电流。 总电流一定，电流分布未知。 共地导体：耦合电压；用于如端部效应能忽略的鼠笼转子等共地多导体DOFs: AZ, VOLT 材料属性: MUr (MURX), rho (RSVX)特性: 耦合全部节点电位载压线圈 DOFs：AZ, CURR 材料属性： mur (MURX), rho (RSVX) 特点：耦合电流； 施加电压。实常数：CARE, TURN, LENG, DIRZ, FILL 总电压一定，电流未知。 载压线圈：耦合电流；外加电压 载流线圈：外加电流，均匀电流密度载流线圈 DOFs：AZ 材料属性： mur (MURX), rho (RSVX) 特点：施加均匀电流密度； 总电流一定，不计涡流，电流均匀分 布。建模与剖分 集肤效应的考虑集肤深度：每个集肤深度至少划分一层单元。施加边界条件与载荷 边界条件与载荷可以加在实体（线、面）上，也可以直接加在有限元模型（节点、单元）上。 周期性边界条件：Command(s): PERBC2DGUI: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Magnetic Boundary Vector Poten Periodic BCs奇对称（odd symmetry）选项表示半个周期对称条件；偶对称（even symmetry）表示全周期对称。 幅值、相位与频率相位（单位为）：只在多相分析时才有效，单相时令为0。频率（单位为Hz）：Command(s): HARFRQGUI: Main Menu Solution Load Step Opts Time/Frequenc Freq and Substps求解 定义时谐分析类型Main Menu Solution Analysis Type New Analysis，选择Harmonic analysis. 定义分析类型（默认Full）Main Menu Solution Analysis Options 选择方程求解器（2D默认波前求解器）Main Menu Solution Analysis Options 非线性问题迭代选项（默认）Main Menu Solution Load Step Opts Nonlinear Convergence Crit 设置频率：Main Menu Preprocessor Loads Load Step Opts Time/Frequenc Freq and Substps 启动求解：线性问题：Main Menu Solution Solve Current LS非线性问题：Command(s): HMAGSOLVGUI: Main Menu Solution Solve Electromagnet Harmonic Analys Opt&Solv 跟踪收敛曲线 结束求解Command(s): FINISHGUI: Main Menu Finish查看结果获得的数据: Nodal magnetic flux density (BX, BY, BSUM) Nodal magnetic field intensity (HX, HY, HSUM) Nodal magnetic forces (FMAG: components X, Y, SUM) Nodal Lorentz magnetic forces (FMAG; components X, Y, SUM) Nodal reaction current segments (CSGZ) Joule heat per unit volume (JHEAT)示例：载压线圈时谐分析命令流：!: 设置环境/batch,list/prep7/title, Voltage-fed thick stranded coil in free space/com, Calculate the current in the coil from an applied AC voltage /com,/com, Parameters/com, n = 500 coil turns/com, s = .02 (coil winding width and depth) meters/com, r = 3*s/2 meters (mean radius of coil)/com,/com,/nopr!: 选择单元et,1,53,1 ! airet,2,53,2,1 ! voltage forced coilet,3,110,1 ! far-fieldemunit,mks!:设置材料属性mp,murx,1,1mp,murx,2,1mp,rsvx,2,3.00e-8 ! resistivity of coil!:定义参数s=.02n=500r=3*s/2!: 几何建模rectng,s,2*s,0,s/2pcirc,0,6*s,0,90pcirc,0,12*s,0,90!:布尔操作aovlap,all!: 设置属性、剖分网格asel,s,area,1aatt,2,1,2asum ! 所选单元的面积求和*get,a,area,area ! area of 1/2 coil cross-sectionasel,s,area,4aatt,1,1,3asel,allcsys,1!: 选择使用柱坐标系lsel,s,loc,x,9*s!: 选取半径为9s的线段lesize,all,1 esize,8mshape,0,2d ! mapped mesh with quadsmshkey,1amesh,1,4,3 ! mesh far-field and coilsmrtsize,2esize,s/4mshape,1,2d ! specify triangle elementsmshkey,0 ! free meshamesh,5 ! mesh air region!: 定义线圈实常数r,1,2*a,500,1,1 ! coil constants：序号1，面积2a， ! 匝数500，电流1A，填充因子1!: 选择线圈单元，耦合电流esel,s,mat,2 ! get coil elementsnsle,s!: 选择节点cp,1,curr,all ! couple curr dof in coilallsel,all!: 选择全部对象!: 设置无限远边界csys,1nsel,s,loc,x,12*ssf,all,inf ! set infinite surface flagcsys,0!: 换回直角坐标系!: 设置对称轴（y轴）上的边界条件nsel,s,loc,x,0d,all,az,0 ! flux-parallel conditionallsel,allfinish!: 建模及剖分结束。以下进入求解过程/soluantype,harm!: 定义分析类型为谐分析esel,s,mat,2!: 给线圈单元施加电压载荷bfe,all,vltg,12 ! 12 volts load (real)esel,allharfrq,60 ! 60 Hz.solvefinish!: 选择求解结束，进入后处理器/post1set,1!: 选择实部plf2d ! Plot real flux lines!: 获取线圈电流n1=node(s,0,0) ! get a node on the coil*get,ireal,node,n1,curr set,1,1,1读取虚部结果plf2d ! Plot imaginary flux lines*get,imag,node,n1,curr *status ! Imaginary and real components of current Finish参数归纳：U=12 VI=1.1921976-j1.62066033 AZ=R+jX=U/I=3.53429+j4.80448 WR=3.53429 W, X= j4.80448 WL=0.0127443 H基于直流计算的电阻：视在功率：（有功功率和无功功率）基于ANSYS单元计算的功率损耗：（等于P）基于ANSYS单元计算的存贮能量：如果套用的公式，Ie为有效值，得到比基于单元计算的结果略大10%。原因不清楚。将线圈高度延长4倍，保持线圈匝数、厚度、填充因子等其他参数不变，问电感、电阻