ansys电磁场仿真分析教程ppt课件

1、第一章电磁场仿真简介. . . . . 第二章二维静态分析第1节.第2节.第3节.第4节.第5节.第三章二维谐波和瞬态分析第1节.第2节.第四章三维电磁场分析第1节.第2节.第3节.第4节.第5节.第五章耦合场分析概况.1-42.1-12.2-12.3-12.4-12.5-13.1-13.2-14.1-14.2-14.3-14.4-14.5-15-1教程综述教程综述ANSYS/EMAG能用于模拟工业电磁装置电磁装置当然是3维，但可简化 为2维模型 。模拟可考虑为：稳态交流谐波）时变瞬态阶跃电压PWM(脉宽调制） （Pulse Width Modulation)恣意利用轴对称衔铁和平面定子设计致

2、动器的一个实例衔铁旋转衔铁气隙可变化完整模型由2个独立部件组成衔铁模块定子模块执行执行: solen3d.avi看动画看动画利用如下方式观察装置2D与3D平面与轴对称利用轴对称平面简化模型定义物理区域空气，铁，永磁体等等绞线圈，块导体短路，开路为每个物理区定义材料导磁率常数或非线性）电阻率矫顽磁力，剩余磁感应衔铁衔铁线圈线圈锭子锭子实体模型实体模型建实体模型给模型赋予属性以模拟物理区赋予边界条件线圈激励外部边界开放边界实体模型划分网格加补充约束条件如果有必要）周期性边界条件连接不同网格有限元网格有限元网格进行模拟观察结果某指定时刻整个时间历程后处理磁力线力力矩损耗MMF磁动势）电感特定需要模拟

3、由3个区域组成衔铁区: 导磁材料 导磁率为常数即线性材料）线圈区: 线圈可视为均匀材料. 空气区:自由空间 (r = 1) .衔铁衔铁线圈线圈性质性质柱体柱体: r = 1000线圈线圈: r = 1 匝数匝数: 2000 (整个线圈整个线圈)空气空气: r = 1鼓励鼓励线圈励磁为直流电流线圈励磁为直流电流: 2 安安培培单位单位 (mm)衔铁衔铁Coil长度长度=35YX模型模型 轴对称轴对称材料号材料号 2材料号材料号3建模建模设置电磁学预选项过滤器）设置电磁学预选项过滤器）对各物理区定义单元类型对各物理区定义单元类型定义材料性质定义材料性质对每个物理区定义实体模型对每个物理区定义实体模

4、型铁芯铁芯线圈线圈空气空气给各物理区赋材料属性给各物理区赋材料属性加边界条件加边界条件设置预选过滤掉其它应用的菜单Main menupreferences选择选择OK定义所有物理区的单元类型为 PLANE53PreprocessorElement typeAdd/Edit/Delete选择 Add选择磁矢量和8节点53号单元选择 OK模拟模型的轴对称形状选择Options选项）Element behavior单元行为）选择 Axisymmetric轴对称）选择OK定义材料PreprocessorMaterial PropsIsotropic 定义空气为定义空气为1 1号材料号材料(MURX =

5、 1)(MURX = 1) 选择选择 Apply (自动循环地定义下一个材料号）自动循环地定义下一个材料号） 选择选择OK定义衔铁为2号材料 选择选择OK 选择选择 Apply (自动循环地选择下一个材料号）自动循环地选择下一个材料号）定义线圈为3号材料 (自由空间导磁率，MURX=1) 选择选择 OK 选择选择 OK (退出材料数据输入菜单）退出材料数据输入菜单）建立衔铁面PreprocessorCreateRectangleBy Dimensions 选择选择Apply (重复显示和输入重复显示和输入) 建立线圈面建立线圈面 选择选择 Apply利用利用TAB 键移动输键移动输入窗口入窗口

6、建立空气面 选择选择 OK到了这步，建立了全部平到了这步，建立了全部平面，但它们还没有连接起面，但它们还没有连接起来来.衔铁衔铁线圈线圈用Overlap迫使全部平面连接在一起PreprocessorOperate OverlapAreas按Pick All现在这些平面被连接了，因此当现在这些平面被连接了，因此当生成单元时，各区域将共享区域生成单元时，各区域将共享区域边界上节点边界上节点这种操作后，原先平面被删除，这种操作后，原先平面被删除，而新的平面被重新编号而新的平面被重新编号这些平面要求与物理区和材料联系起来Preprocessor-Attributes-DefinePicked Area

7、s用鼠标点取衔铁平面选择OK (在选取框内）材料号窗口输入2 选择选择 OK对于没有明确定义属性的对于没有明确定义属性的面，其属性缺省为面，其属性缺省为1这些平面要求与物理区和材料联系起来Preprocessor-Attributes-DefinePicked Areas选取线圈平面（在选择对话框里点取OK 材料号窗口输入3 点点 OK加通量平行边界条件Preprocessorloadsapply-magnetic-boundary-flux-parl 选On Lines并选取相应的线选 OK“所选取的线所选取的线”“所选取的线所选取的线”注：未划分单元前，加注：未划分单元前，加上这种边界条件

8、上这种边界条件生成有限元网格利用智能尺寸选项来控制网格大小Preprocessor-Meshing-Size Cntrls-smartsize-basic 选择选择OKPreproc-Meshing-Mesh-Areas-Free在选取框内选择ALL选择OK打开绘制单元的材料属性UtilityPlotCtrlsNumbering 选择选择 OK力边界条件标志需要单元部件，即一组具有 “称号的单元把衔铁定义为一个单元组件选择衔铁平面Utilityselectentities用此选项在图形窗用此选项在图形窗口中选择平面口中选择平面再次选择用再次选择用APPLY 一旦衔铁已选好，选择一旦衔铁已选好，

9、选择OK (在选取框内）在选取框内）选择与已选平面相对应的单元 选择选择 OK 图示衔铁单元图示衔铁单元 Utilityplotelements衔铁单元衔铁单元用用“面面”使单元与衔铁组件联系起来UtilitySelectComp/AssemblyCreate Component 选择选择 OK加力边界条件标志 PreprocessorLoadsApply-Magnetic-FlagComp Force 选择选择OK 施加两个标志，用两个不同的方法来计算力施加两个标志，用两个不同的方法来计算力Maxwells 应力张量应力张量虚功虚功即使只有一种选项，也要鼠即使只有一种选项，也要鼠标选取标选取

10、以毫米单位生成的模型，最好把模型尺寸变换为国际单位制变换系数 =.001)使整个模型激活 UtilitySelectEverything缩放平面-不用拷贝Preprocoperatescaleareas 选择选择 OK给线圈平面施加电流密度选择线圈平面UtilitySelectEntity选择选择OK ( 实体选择框实体选择框)选择线圈平面选择线圈平面选择选择 OK (选取框内选取框内)激励线圈要求电流密度，故要得到线圈截面积.PreprocessorOperateCalc Geometric ItemsOf Areas选择OK要用线圈面积来计算电流密度，将线圈面积赋予参数CAREAUtili

11、tyParameterGet Scalar Data 选择选择 OK下面窗口输入面积的参数名，用于后面电流密度输入去掉面号如果有的话）去掉面号如果有的话）这相应于几何面积总和这相应于几何面积总和 选择选择 OK把电流密度加到平面上PreprocessorLoadsApplyExcitationOn Areas (因为只激活了线圈平面，可在选取框内选择Pick All） 选择选择 OK进行计算Solu-solve-electromagnetOpt & Solve 选择选择OK这些适用于用这些适用于用BH 数据来进行的分析，本题将忽略数据来进行的分析，本题将忽略生成磁力线圈Postproc

12、plot results2D flux lines选择 OK使用缺省设置，选择使用缺省设置，选择OK, （在通常情（在通常情况下，可这样做）况下，可这样做）单元边缘围绕的一个红色输廓表示该单元边缘围绕的一个红色输廓表示该区域为同类材料号区域为同类材料号计算力PostprocElec&Mag CalcComp. Force 选择选择 OK衔铁上力是在总体坐标衔铁上力是在总体坐标系下表示的，此力的方系下表示的，此力的方向为使气隙缩小向为使气隙缩小必须用鼠标选取必须用鼠标选取显示总磁通密度值显示总磁通密度值 (BSUM) PostprocPlot ResultsNodal Solution

13、选择选择 OK二维静磁学二维静磁学模型边界条件有:磁通量垂直磁通量平行周期性对称 *偶对称奇对称根据单元方程式施加边界条件矢量(2D 或3D)标量 (3D)基于单元边 (3D)*在第2章来讨论简单励磁的平面模型简单励磁的平面模型AABB 线圈线圈 (象征性的象征性的)铁芯铁芯空气空气在2D静磁场、交流和瞬态分析中采用磁矢量势方法(MVP) 此公式称为MVP ，磁通量密度(B) 等于矢量势(A) 的旋度 B = Curl(A)对于二维情况，A只有Z方向分量，在ANSYS中表示为“AZ” 自由度模型有二种边界条件描述-Dirichlet条件AZ约束） : 磁通量平行于模型边界Neumann 条件自

14、然边界条件）:磁通量垂直于模型边界沿A-A 通量平行边界条件需满足：模型中A-A 的左边和右边是相同的几何形状相同材料属性相同左边和右边励磁相位差180度即方向相反）对称平面边界条件沿A-A必须加约束BB（1/2对称模型对称模型Pole FaceAAPreproc.loadsapplyboundaryflux parllines半对称模型与全模型比较：磁通量密度是相同的线圈上Lorentz 力是相同的贮能为 1/2 极面上力为 1/2加载电流密度与全模型相同 线圈线圈 (象征性的象征性的)简单导磁体的半对称模型简单导磁体的半对称模型沿B-B磁通量垂直边条件需满足B-B线上下两边如下参数是相同的

15、几何形状材料性质B-B线上下两边励磁相同对称面 (B-B)边界条件2D磁矢量势(MVP)方式，无须处理加载电流与全模型相同Quarter symmetry model of the simple magnetizerBB1/4模型与全模型比较磁通密度分布相同贮能为1/4所示线圈上的Lorentz力 1/2作用在极面上力为1/2励磁体励磁体1/4对称模型对称模型BB单元plane13 and plane53 用于模拟2D磁场Plane13: 4 节点四边形耦合场自由度：温度，构造，磁电源为Z方向B 为线性变化适用于：Plane13 变压器变压器 汇流排汇流排 传感器传感器 线性或任意线性或任意

16、永磁系统永磁系统 螺线管磁体致动器）螺线管磁体致动器） 直线或旋转电机直线或旋转电机 负载机械负载机械 机械力矩机械力矩 plane53: 8 节点，四边形 耦合场自由度: 磁 与电路单元耦合 电流为 Z 方向 B 可为二次非线性变化 通常情况下的推荐使用单元 适用于精度要求较高的分析 场量分析 大型机械力矩中节点中节点定义Plane13的单元类型和单元选项Preprocelement type add/ edit/delete选择ADD选择Plane13用单元类型号用单元类型号给平面赋属性给平面赋属性 选择选择OK一旦定义单元类型，要选择单元 选项单元选项控制:2D直流模拟为AZ自由度2D

17、模拟型式轴对称平面点取单元选项几何体型几何体型式式用于直流模拟用于直流模拟 选择选择 OK用于定义平面属性的参考号用于定义平面属性的参考号因为因为plane13 用于耦合场模拟，故该用于耦合场模拟，故该单元可以具有应力单元可以具有应力/应变结构选项应变结构选项平面与轴对称比较端部效应平面: 不包括轴对称: 自动包括正向电流方向相反 线圈线圈两种情况都是施两种情况都是施加正向电流加正向电流铁板铁板磁流密度矢磁流密度矢量显示量显示铁环铁环轴对称轴对称: +Z 电流方向进平面电流方向进平面平面平面:+Z 电流方向出平面电流方向出平面 磁力线描述 平面: AZ等值线 轴对称: r AZ 等值线电枢电枢

18、线圈线圈定子定子平面或平面或 轴轴对称对称 ?平面或平面或 轴轴对称对称 ? 力、能量、电感的描述 平面: 单位长度 轴对称: 整个圆周上的值 力: 轴对称: 无有效径向力相互平衡） 单位弧度力不为零曲度线圈） 定义Plane53的单元类型和选项 Preproc.element typeadd/ edit/delete 选择 Add 选择 8节点Plane53增加单元类型号以增加单元类型号以给平面赋属性给平面赋属性 选择选择 OK 定义单元类型后选择单元选项 单元选项控制: 绞线圈电压加载选项 * 连接电路单元与有限元区* 模拟运动体的自由度*包括交流分析包括交流分析plane53单元模拟运动

19、导体示图单元模拟运动导体示图 选择选择OK考虑速度效应时，要求增加输入信息在实常数中定义。选择单元选项后，定义实常数是很方便的Preprocreal constants.选择选择平面属性要求实平面属性要求实常数设置号常数设置号速度单位速度单位: 米米/秒秒角速度单位角速度单位: 弧度弧度/秒秒 选择选择 OK平面属性要求赋予平面属性要求赋予单元类型号数单元类型号数2-D静磁学静磁学求解模型的单位制求解模型的单位制 : SI力 (牛顿） 能量(焦耳 ）功率瓦）长度米）时间秒）质量公斤）磁通密度B特斯拉）磁场强度H安培/米）电流安培）电阻率 （欧姆-米）电压V伏）电感L亨）磁导率r (亨/米）电容

20、法拉）基本关系式: B= H, 其中 = r 0 可为单一值线性） 各相同性或正交各向异性 Preprocmaterial propsisotropic平面属性要求赋予平面属性要求赋予材料质性号材料质性号r 相对磁导率相对磁导率 可为非线性，以模拟饱和状态 BH曲线数据能从ANSYS55材料库中获得 缺省的BH材料库在ansys55 目录下的matlib子目录中 :Preproc.material propsmaterial librarylibrary path 通过指定路径可在其它位置得到材料数据通过指定路径可在其它位置得到材料数据 BH 数据可用如下方式输入Preprocmaterial

21、 propsmaterial libraryimport library 选择材料选择材料选择材料属性选择材料属性 选择选择 OKBH 数据生成图形和列表显示表示在列表示在列表显示中表显示中的数据点的数据点号号材料号材料号 数据也可列成表格. 这种表格也能人工制成Utilitylistpropertiesdata tables 选择选择OK数据点数据点(0,0) 不要输入不要输入定义曲线弯曲处的数据点要密见定义曲线弯曲处的数据点要密见M54的数据点）的数据点）BH曲线要避免生成曲线要避免生成S形形通常通常M钢定义钢定义BH数据到数据到8,000 A/m数据需要外推数据需要外推这些曲线的这些曲线

22、的值通常需要附加大量的数据以使得值通常需要附加大量的数据以使得值由大逐渐变到最终斜率值由大逐渐变到最终斜率最终斜率为空气值最终斜率为空气值(0)应用实例: 400系列不锈钢输入如下数据 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 首先定义数据表，然后把BH数据输入数据表中Preproc material propsdata tablesdefine/activate平面属性要求赋予材料号平面属性要求赋予材料号 选择选择OK 利用编辑激

23、活表格输入BH数据 Preproc material propsdata tablesedit active 输入数据后，用鼠标点取输入数据后，用鼠标点取 FileApply/Quit 图示图示: Preprocmaterial propsdata tablesgraph 列表列表: Preprocmaterial propsdata tableslist 实际求解需要用到 d/ dB2 为避免粗劣的v=Yu 条件曲线， - B2 应该是单调的。Utilityplotdata tablesgraph NU vs. B*2把该曲线数据放置在库内 ，以备将来使用。Preproc.material

24、propsmaterial libraryexport material选择文件名选择文件名选取生成的选取生成的BH 数据的材料属性数据的材料属性 课题描述 轴对称 线圈为直流供电 衔铁居中但悬空在定子上方。 分析顺序 用axis2d宏建模 完成建模后，加边条件 求解 后处理力力磁动势磁动势误差范数误差范数电流电流磁力线磁力线路径图示路径图示能量能量电感电感“气隙气隙” (mm) “线圈部件线圈部件 “衔铁部件衔铁部件材料号材料号5 (同衔铁同衔铁)励磁励磁 直流施加到线圈直流施加到线圈: 3 安培安培性质衔铁/定子: 上述BH 曲线线圈: 300 匝, 26线径，r = 1空气: r = 1

25、 单位单位: 毫米毫米(mm)对于大多数应用，通常指定电压，线圈电流是算出来的.26线规直径 (Dw )= 0 .404 mm (在20摄氏度下)铜电阻率 () = 17.14 E-9 - m在20摄氏度下）匝数 (N) = 300线圈中径为8 mm (Rmid) 均匀填充圆线圈的电阻为： R = 16000 N Rmid / Dw2 R = 4.03对于静态分析，12 V 电压相应的电流为2.98安，本分析采用3安。参数化建模需要： 参数GAP必须定义 在命令行输入 gap=.5 并回车 点取点取OK选择分网密度选择分网密度Preprocsize cntrlbasicaxis2s宏生成模型衔

26、铁单元部件ARMATURE线圈面积参数ACOND线圈单元部件 COIL 在在ANSYS命令窗口输入命令窗口输入axis2s并回车，以建立模型并回车，以建立模型 材料号 1为空气 完善边界条件 通量平行边界条件Preprocloadsapplyboundary-flux par l-lines 选择模型边界上的所有线 如下方式定义材料号如下方式定义材料号 1自由空间磁导率）自由空间磁导率） Preprocmaterial propsisotropic 选择选择OK 选择选择OK给线圈平面加载线圈电流 Preprocloadsapply excitation-current density-are

27、as选择线圈平面 选择选择 OK给衔铁加力边界条件标志 PreprocessorLoadsApply-Magnetic-FlagComp Force 选择选择 OK 用不同的方法计算力，故加载两种标志用不同的方法计算力，故加载两种标志 Maxwell 应力张量应力张量 虚功虚功 选择选择 ARMATURE 选择所有几何和有限元实体 进行模拟 Solutionelectromagneticopt&solve 选择 OK采用缺省设置进行求解） 请确认请确认 磁力线Postprocplot results2D flux lines 注意漏磁位置 线圈区 定子上角 定子与衔铁交界位置计算力Po

28、stprocelec&mag calccomp.force 轴对称模型只产生垂直方向力轴对称模型只产生垂直方向力 定义单元表项定义单元表项 FVW_Y 虚功虚功Y方向力方向力 FMX_Y Maxwell应力应力Y方向方向力力 环状模型力总和环状模型力总和 选择选择 OK用与衔铁邻接的空气单元来计算衔铁力，并显示首先选择空气单元1) 首先选择空气单元首先选择空气单元- 材料属性为材料属性为1 选择选择 Apply2) 用用 Num/Pick从中选取邻从中选取邻近衔铁面空气单元近衔铁面空气单元用框选取用框选取虚功方法计算垂直力并用等值图显示 Postprocplot resultselem

29、 table在气隙中选取在气隙中选取空气单元空气单元 选择选择OK 用路径图示选项(PATH) 能获得沿衔铁面的力的分布图 必须定义路径 Postprocpath operationsdefine pathby nodes点取节点点取节点 2给一个任意的名字给一个任意的名字增加沿路径的数据采样点的数量增加沿路径的数据采样点的数量点取节点点取节点 1 选择选择 OK 路径定义信息如下路径定义信息如下 路径内的结果插值是在总体坐标系下与柱坐标系或其它局部坐标系相路径内的结果插值是在总体坐标系下与柱坐标系或其它局部坐标系相比）比） 路径由直线组成路径由直线组成 单元表项FVW_Y 中的力必须插值到路

30、径上 Postprocpath operationsmap onto path 任意名任意名 选择选择 ETAB.FVW-Y 选择选择OK将FVW_Y沿路径显示 Postprocpath operations -plot path items- on geometry路径图示迭加在几何体上路径图示迭加在几何体上已定义已定义将路径显示图缩放到一将路径显示图缩放到一个较好的程度个较好的程度 选择选择 OK节点节点离路径节点节点离路径节点节点1的距离的距离 路径上的力路径上的力(F_Y) 也能打印输出也能打印输出 Postprocpath operationslist path items 选择选择

31、OK线圈Lorentz力J x B）选择线圈区域并定义为一个部件。 Utilityselectcomp/assemblyselect comp/assembly 选择线圈 为Lorentz 力定义单元表Postproelement tabledefine table选择选择 任意名任意名作用于整个圆环上的作用于整个圆环上的 X 方向的方向的Lorentz 力力 选择选择 OK 选择选择 Add 线圈X方向 Lorentz 力的等值图 Postprocelement tableplot elem table 选择选择 OK 作用在线圈单元上的总力作用在线圈单元上的总力Postproelement

32、 tablesum of each item 该操作作用于全部激活单元上该操作作用于全部激活单元上 相当于相当于360圆周上的受力圆周上的受力 力单位为牛顿力单位为牛顿: N根据节点磁场值差异估计误差，且作为单元表数据贮存Postpromag&elec calc error eval B_ERR 单位 (T) H_ERR 单位 (Amps/m) BN_ERR 和HN_ERR 由最大值归一化 BN_ERR 能用磁力线图进行等值显示能用磁力线图进行等值显示 图示图示 BN_ERR单元表项单元表项 Postproelement tableplot elem table 选择选择 OK 激活激

33、活NOERASE 选择选择 Utilityplot cntrlserase options 图示磁力线图示磁力线Postproplot results2D flux lines 选择选择OK 线性和非线性材料的共能计算 Postproelec&mag calccoenergy 选择OK也能计算贮能Postprocelec&mag calcenergy注：铁的共能大约是贮能的注：铁的共能大约是贮能的8倍，表示铁的饱和效应所致倍，表示铁的饱和效应所致铁单元的磁导率能用等值图显示Postproelement table 选择ADDplane53单元在线帮单元在线帮助助 选择 OK 这

34、是绝对磁导率为了获得相对磁导率，单元表应乘以MUZ系数将自由空间磁导率赋予参数: MUZ=12.57x10-7Postproelement tableadd items用已有名字用已有名字自由空间磁导率参数自由空间磁导率参数不需要第二个不需要第二个单元表项单元表项 选择选择OK 用等值图显示相对磁导率MUR Postproelement tableplot elem table注意饱和区注意饱和区 选择选择t OK 沿闭合线计算磁动势沿闭合线计算磁动势 MMF 确保整个模型都被激活确保整个模型都被激活 必须定义围绕线圈的路径必须定义围绕线圈的路径 Postproelec&mag cal

35、cdefine pathby nodes选取如图所示的选取如图所示的7个节点，个节点，可从任一节点开始可从任一节点开始路径的最终节点应与起路径的最终节点应与起始节点是同一个始节点是同一个跨越空气隙时，气隙两边的跨越空气隙时，气隙两边的铁边界上各选取一个节点铁边界上各选取一个节点 完成路径定义由于铁与空气的界由于铁与空气的界面处面处H值不连续，故值不连续，故应增加采样点的数应增加采样点的数目目 选择选择OK绕闭合回线计算MMF Postproelec&mag calcMMF 选择 OK MMF正负号由右手定则决定，路径的反时针方向与线圈电流的方向相反正负号由右手定则决定，路径的反时针方向

36、与线圈电流的方向相反对于轴对称模型，正电流方向为进行平面方向）对于轴对称模型，正电流方向为进行平面方向） 为了确定铁芯饱和程度，沿定子的中间部分定义一个路径并计算MMF选取节点选取节点 1选取节点选取节点2MMF = -384 A-t输入的总安匝数为输入的总安匝数为900，铁芯的中间部位有，铁芯的中间部位有384安匝，也就是空气隙中只安匝，也就是空气隙中只有有519安匝忽略其余铁芯中的磁动势）安匝忽略其余铁芯中的磁动势）如果如果384安匝中的大部分都在空气隙中，磁力会有多大？对于本问题，电安匝中的大部分都在空气隙中，磁力会有多大？对于本问题，电磁力至少会增加磁力至少会增加2倍。倍。可用另一种方

37、法显示这一点：将铁芯的磁导率设为可用另一种方法显示这一点：将铁芯的磁导率设为1000，进行线性求解，进行线性求解检查边界条件的正确与否非常重要模型边界磁力线的检查通量平行用磁力线图检查）通量垂直用磁力线图检查）电流观察选择线圈组件 Postproelec&mag calccurrent选择OK对于线性系统对于线性系统: Postproelec&mag calcTerminal par 对于非线性系统一两种理论选项对于非线性系统一两种理论选项割线定义割线定义增量定义增量定义简易割线计算简易割线计算利用共能利用共能 (C) ， L = 2 Ci2 ， 仿照电机计算仿照电机计算更精确

38、的方法更精确的方法: LMATRIX 宏宏 Solumagneticinductance见帮助文档中的说明和实例见帮助文档中的说明和实例二维静磁学二维静磁学线性永磁体感应曲线为线性可模拟大部分稀土磁体计算需要有“感应曲线”要求两种材料性质相对磁导率 r各向同性正交各向异性矫顽磁力 Hc 矢量值利用单元坐标系定义材料性质缺省: 总体直角坐标系H (Amp/m)B(T)BrHc固有曲线固有曲线感应曲线感应曲线第二象限曲线图第二象限曲线图稀土磁体典型曲线稀土磁体典型曲线 r 和Hc 可以是随温度变化 磁化方向 平行/垂直于磁体中心线 相对于某中心点径向/环向 材料库中不提供r 和 Hc的缺省值。 现

39、代技术的进步使磁体性能不断提高 年代年代相对于直线感应曲线的磁体只要求Hc和一个单值的磁导率对于永磁材料，为了改善精度，利用剩磁感应密度(Br) 和Hc 来计算磁导率r = Br /(0 Hc)为使用方便，自由空间磁导率参数MUZ可以在命令窗口输入MUZ=acos(-1) * IE-7缺省值时，角度的单位为弧度。用SIN或COS 函数来计算Hc的分量时，常用“度单位。因此角度的单位要变换：Utilityparametersangular units选择 OK 在输入窗口中输入HC*COS(60) 来代替数值输入各向同性单元坐标系缺省为总体直角坐标系Preprocmaterial propsis

40、otropic资料资料 2 磁化方向平行于总体坐标+ X 方向Br = 1T Hc=700,000 A/m空气空气 选择选择 OK 选择选择 OK正交各向异性单元坐标系缺省为总体直角坐标系Preprocmaterial propsorthotropic 资料 2 磁化方向为总体坐标+X 方向反时针旋转60 度Br=1 Hc=700,000 A/m 选择选择 OK 选择选择 OKHc值仍然为700,000 A/mHc是在总体直角坐标下表示的由于模型对称， B的最大值不变 资料资料 2问题描述平面，园环磁体磁体四极设置在磁体外圆圈上磁化方向为极向柱坐标系）分析目的模拟磁化特性SNSN磁极中心象征性

41、的）磁极中心象征性的）属性磁体:Hc = 50,000 A/m Br = 850 Gauss尺寸:内径 = .5 cm 外径 = 1 cm励磁:没有永磁体永磁体对称条件只需模拟一个磁极边界条件侧边: 通量平行外半径: 通量垂直为了确定外半径上的磁极中心，需要定义一个局部坐标系，该局部坐标系的X轴为总体X轴反时针旋转45度通量平行条件通量平行条件磁极中心磁极中心 输入cir1pole.mac宏建立模型 定义材料2的磁体性质 Preprocmaterial propsorthotropic资料资料 2资料资料 1 选择选择 OK 输入输入Y方向磁体属性柱坐标系的切线方向，该坐标系待后定义）方向磁体

42、属性柱坐标系的切线方向，该坐标系待后定义） 选择选择OK 选择选择OK 输入空气的各向同性磁导率材料输入空气的各向同性磁导率材料1） Preproc.material propsisotropic 选择选择OK在外半径上离总体坐标系+X 轴45度处，定义局部坐标11Utilityworkplanelocal coord. systemscreate local CSat specified loc 在在ANSYS输入窗口中，利用外半径输入窗口中，利用外半径0.01，角度，角度45，输入局部坐标系原点，输入局部坐标系原点位置坐标位置坐标 回车键盘）回车键盘） 在建立局部坐标系框内选择在建立局部坐

43、标系框内选择OK定义了局部坐标系11后，在单元图上会显示其标志11号局部极坐标系，其号局部极坐标系，其与磁极中心相对应与磁极中心相对应输入输入11以标志该坐标系以标志该坐标系选择坐标系的类型选择坐标系的类型在命令行输入的参数表在命令行输入的参数表达式的结果达式的结果 选择选择 OK磁体单元的单元坐标系(ESYS) 属性相应于11号局部坐标系改变单元坐标系通过材料属性(2)选择磁体单元Utilityselectentitieselementsby attributesmaterial 2Preprocmove/modifymodify attrib在选择框内选择“Pick All” 选择选择 O

44、K在模型侧边施加通量平行边界条件. Preprocloadsapplyboundary-flux parl-on lines进行求解Soluelectromagneticopt&solv 图形显示磁力线观察通量平行边界条件在磁体平面内磁力线呈圆形性质由于磁体磁导率低而产生漏磁利用磁通密度的矢量图能观察场量的大小和方向 选择选择 OK 磁通密度磁通密度B的方向相应于的方向相应于MGYY和和11号坐标系正切向号坐标系正切向磁体非线性感应曲线也能用于模拟.MGXX, MGYY 视为线性磁体输入感应曲线用与非永磁体材料相同的方法输入感应曲线的输入值被偏置一个Hc 值Br (T)B (T)Hc

45、(Amp/m)H (Amp/m)Hc = 50,400 (Amp/m)单位单位: H(Amp/m) & B (T)ALNICO 5 系列材料实例系列材料实例输入数据的输入数据的BH曲线曲线最后数据点所对应的最后数据点所对应的H值应于比值应于比Hc大大最末斜率接近于自由空间的磁导率最末斜率接近于自由空间的磁导率第一个数据点并不是原点即第一个数据点并不是原点即0，0点不需要输入）点不需要输入）二维静磁学二维静磁学 运用问题描述平面磁性离合器六极装置平行磁化分析目的利用奇对称周期性条件来模拟1/6模型计算图示状态的力矩定子定子磁性离合器磁性离合器转子转子性质定子和转子磁体:Hc = 750,

46、000 A/m Br = .9896 (r=1.05)定子和转子磁体SA1010转子磁化方向 (水平方向反时针30度） 定子磁化方向：程度模型参数 半径单位(R) : 英寸励磁: 无磁离合器磁离合器1/12模型模型转子铁，转子铁，资料资料 2转子磁体转子磁体，资料，资料 3定子磁体定子磁体，资料，资料 6定子铁，定子铁，资料资料 5(上面只显示了一半模型上面只显示了一半模型)利用clutch.mac宏命令建模实体模型和单元国际单位制）SA1010系列铁将定子磁体单元和铁单元定义为一个部件S_IRON 每个转子磁体各有一个单元坐标系材料号材料号该磁体单元的该磁体单元的X方向为方向为11号号局部坐

47、标系的局部坐标系的X方向方向该磁体单元的该磁体单元的X 方向为方向为12号局部坐标系的号局部坐标系的X方向方向对材料2和3定义为各向同性磁体性质Preproc.material propsisotropic 重复这些步骤，定义定子磁体材料重复这些步骤，定义定子磁体材料3 选择选择 OK 选择选择OK为转子磁体平行磁化方向定义11号局部坐标系水平方向反时针30度总体坐标+X 轴）局部坐标系原点与总体坐标系一致Utilityworkplanelocal coord. systemscreate local CSat specified location 回车键盘）回车键盘） 在选择框选取在选择框选

48、取OK11号局部坐标系的号局部坐标系的X轴与总轴与总体坐标系体坐标系X轴的夹角轴的夹角 选取选取OK采用与前面相同的方法为下面转子磁体建立12号局部坐标系下面转子磁体是下面转子磁体是-30, 但方向相但方向相反反 (180 ) 选择选择OK0-30+180为了观察单元坐标系的变化，要激活单元坐标系标记 Utilityplot cntrlssymbols选择选择 OK“白白”“”“绿坐标轴分别相绿坐标轴分别相应于单元轴的应于单元轴的X、Y方向方向给定子外半径加上通量平行条件Preprocloadsapplyboundary-flux par lon lines(选择定子铁体外半径上弧线)通过强迫

49、内半径上节点的MVP保持常数，在转子铁体内半径上施加通量平行边界条件选择转子内半径上节点对内半径上节点进行耦合Preproccouple DOFs （在选择框选择pick ALL ) 选择选择OK激活总体坐标系Utilityworkplanechange active CSglobal CS识别模型内外半径位置关键点 9 : 模型内半径上关键点19 : 模型外 半径上周期性边界条件必须施加到离合器两侧Preprocloadsboundary periodic BCs选择选择OK用关键点函数功用关键点函数功能得到内外半径能得到内外半径的值的值 选择选择OK模型另一侧边模型另一侧边的位置的位置磁离

50、合器1/6模型边界条件耦合使内半径满足通耦合使内半径满足通量平行条件量平行条件各自的约束方程保各自的约束方程保证了奇对称条件证了奇对称条件强制约束使外半径满足强制约束使外半径满足通量平行条件通量平行条件利用求解时贮存的单元数据来计算力矩，故必须设置力矩计算标志Preprocloadsapplyflagcomp. Force/torq(利用宏命令定义的 S_IRON 组件)施加相应的表面标施加相应的表面标志以计算力志以计算力/力矩力矩(只图示模型上半部分）只图示模型上半部分）求解计算Soluelectromagnetopt&solv磁力线图磁力线图计算力矩Postprocelect&am

51、p;mag calccomp. Torque (选择 S_IRON 组件)力矩作用于定子力矩作用于定子留意：力矩单位为单位长度留意：力矩单位为单位长度牛米牛米利用Maxwell应力张量方法由路径计算也能计算力矩 Postproelec&mag calccircular torq计算力矩时的计算力矩时的圆形路径半径圆形路径半径 选择选择 OK力矩作用在转子上使定子和转子磁极成一直线排列力矩作用在转子上使定子和转子磁极成一直线排列力矩计算路径力矩计算路径模拟有许多磁极的电机，周期性边界条件非常有用右图显示的是一个10极永磁电机模拟转子的运动。当转子转动时，电流会变化。定子槽内显示电流密度本

52、模型也允许转子和定子相互独立观看动画，可执行动画文件: mach2d.avi定子定子转子转子 运用 问题描述问题描述 轴对称致动器轴对称致动器 分析目的分析目的 计算衔铁在任意垂直位置时的计算衔铁在任意垂直位置时的电磁力电磁力线圈线圈定子定子衔铁衔铁性质定子/衔铁：铁介质 r = 1000线圈: 空气磁导率空气: 空气磁导率励磁4000 安匝衔铁运动方向衔铁运动方向衔铁材料衔铁材料 4定子材料定子材料 4线圈材料线圈材料 3 输入宏命令输入宏命令mv_arm.mac建立模型建立模型 实体模型和单元实体模型和单元SI 单位制）单位制） 磁化率磁化率 = 1000 衔铁单元组件衔铁单元组件A_IR

53、ON 衔铁单元和节点组件衔铁单元和节点组件ARMATURE 线圈为线圈为4000安匝安匝模型在此线上不相连模型在此线上不相连连接不相同网格需要有：网格较细的一边的节点另一边的单元将定子一侧边界上的节点建立组件.选择定子模型边界上线段选择STATOR组件再选择边界上线段选择所选线段上的全部节点建立单节点组件CE_N定子内半径定子内半径全部节点全部节点选择衔铁组件ARMATURE选择节点组件 CE_N应用约束方程生成器Preproccoupling/ceqnadjacent regions 选择选择 OK 节点上施加通量平行条件，但不包括约束方程所含节点 激活全部单元 选择外部节点 不选约束方程中

54、节点 （最大约束方程数为1000） Preproc.loadsapplyboundary flux -parl- on nodes (选择pick all）生成约束方程生成约束方程对衔铁施加力边界条件标志 PreprocessorLoadsApply-Magnetic-FlagComp Force 选择选择 OK产生运动后，衔铁产生运动后，衔铁力标志仍然有效力标志仍然有效执行求解全部激活 Soluelectromagnetopt&solve图示磁通密度Postprocplot resultsnodal solution弱场显示有严重漏磁注：磁力线和磁通密度在边界上连续BSUM (T)磁

55、通密度和磁力线磁通密度和磁力线迭加显示迭加显示利用求解时所得力求和而得到垂直力 Postproelec&mag calccomp. Force(运用 A_IRON组件)作用在衔铁上的力迫作用在衔铁上的力迫使衔铁向下运动使衔铁向下运动利用move/modify 菜单使与衔铁相关的平面向下运动选择 ARMATURE组件Preprocmove/modifyareas(选择pick ALL)衔铁向下运动距离衔铁向下运动距离 选择选择 OK衔铁需要与定子重新相关联首先删除已存在的约束方程Preproccouple/ceqndel constr eqn 选择选择 OK 与前面一样重新设置衔铁的关联

56、与前面一样重新设置衔铁的关联 对除有约束方程的节点外的所有外部节点重新施加平行条件对除有约束方程的节点外的所有外部节点重新施加平行条件 执行求解执行求解BSUM (T) 显示磁通密度和磁力线迭加图显示磁通密度和磁力线迭加图 由于衔铁位置改变，磁力线随着变由于衔铁位置改变，磁力线随着变化化 定子内最大磁密定子内最大磁密BSUM增大增大 模型交界处磁场连续模型交界处磁场连续利用下面菜单求得垂直力 Postproelec&mag calccomp. Forces (运用 A_IRON 组件）将执行单个求解的命令放在用APDL做的do循环中，就可以执行一系列求解，如动画所示观察动画，执行动画文

57、件:mv_arm.avi2-D交流和瞬态分析交流和瞬态分析交流模拟是一种随时间变化的模拟假定励磁为正弦波角角 (度度)励磁电压励磁电压 (V) 电流密度电流密度 (A/m2) 可用两个场分量来表示电相角为0场分量电相角为90场分量考虑一个导电杆在一个绞线线圈中通量平行条件通量垂直条件通量垂直条件绞线圈绞线圈二维轴对称有限元模型二维轴对称有限元模型电流密度电流密度: 1E6 A/m2 频率频率: 100Hz导电杆导电杆二种求解结果:实数解: 线圈励磁相位0度虚数解：相位差90度实数解实数解虚数解虚数解利用这两种求解结果，任何时间处的场量都能用迭加的方法来生成执行动画文件：执行动画文件：acaz.

58、avi观察场动画观察场动画根据Faradays 定律，线圈中的时变电流会在导体中感生电流执行动画文件执行动画文件acjt.avi ，观察电流动画，观察电流动画其他假定模拟只考虑感应效应Faradays定律在绞线圈中感生电流在大导体内电流会重新分布不考虑射频效应模拟是线性的几何体不变保持均匀性条件如果用BH曲线描述材料性质，就可以模拟饱和状态导电杆中最值得注意的电流效应是感生电流的非均匀性杆中心杆中心杆外半径杆外半径(m)集肤效应是由Amps 定律和Faradays定律耦合而产生无源、半平面导体电场每隔如下厚度衰减1/ e： = ( f) -1/2 (m)式中 = 磁导率 = r 0 = 电导率

59、= 1 / =电阻率 (Ohm-m)f = 频率(Hz)导电杆取下列数据: = 100 00 = 1.2566E-6 (H/m)= 2E-7 (Ohm-m)f = 100 (Hz) 代入代入, =(3.1415)(100)(1.2566E-6)(.5E+7)(100) -1/2 =.0023 m =2.3 mm与图形相对应，从外半径与图形相对应，从外半径7.7mm向内向内2.3mm，由于轴对称形状，由于轴对称形状的影响，电流衰减值大于表面电流值的的影响，电流衰减值大于表面电流值的1/e (2.71) 。模拟交流状态，有三种基本物理考虑 (1) 模拟施加到线圈/导电杆上的功率的方法施加电流边界条

60、件已知电流值致动器感应加热施加电压边界条件不知道电流值电机施加了任意载荷的非理想变压器(2) 导电体类型绞线型导体: 导体是否细到足以忽略涡流效应的影响? （涡流效应以非均匀的方式重新分布电流）典型应用:变压器绕组电机绕组 致动器绕组块导体:导体大到足以允许涡流的产生。 场量和电流的峰值在一个或多个面上会重新分布典型应用典型应用:变压器中的大导体变压器中的大导体鼠笼电机导电杆鼠笼电机导电杆感应加热感应加热BSUM (T)MX电流密度幅值电流密度幅值 (A/m2)MX导电杆导电杆在绞线圈内的圆柱形导电杆上能观察到涡流效应在绞线圈内的圆柱形导电杆上能观察到涡流效应(3) 终端条件终端短路条件: 导体间是否在端部连接以允许电流在导体之间流过 ?三维导体终端连接三维导体终端连接二维模型二维模型端部短路条件不用任何对称条件，只模拟导体一部分:三维导体终