电磁场基础知识第三章-

1、电磁场基础知识第三章-第1页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五10 电阻器50 mH 电感器2 f 电容器 24 伏电压源电路单元应用问题描述电路由如下组成: 10 电阻 50 mH 电感器 2f 电容器电压源24 伏（峰值）1000 Hz 频率分析顺序建模进行模拟后处理电流功率2第2页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五Circ124 单元类型除了指定界面单元外，它不是有限元范畴的一部分线单元并不象Plane53 或Plane13要分网格具有模拟不同电路单元的多种性能电阻器，电感器，电容器不同类型的电流源不同类型的电压源互感器单元广泛帮助从Help 查询

2、到Circ124 单元类型(典型例）3第3页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五用 实用命令菜单中的命令清除数据库中的数据Utilityfileclear and start new如下菜单生成电路单元Preproccreatecircuit在生成任何电路单元前，需要调整工作平面 Preproccreatecircuitcenter WP首先建立独立电压源 (IVS) 4第4页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五建立 IVS Circuitindependent vltg sourceDC/AC harmonic鼠标变成“橡皮筋”状态，自由定位电路单元的位置

3、在图形窗口中，必须用鼠标选取三个位置单元的起始节点单元的终止节点两个节点左边或右边的偏置量IVS（独立电压源）5第5页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五鼠标点取的第一位置，为单元的 I 节点鼠标点取的第二位置，为单元的 J 节点鼠标点取的第三位置，以确定单元的定位6第6页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五一旦鼠标点取完三个位置，程序弹出一个对话框以输入 IVS的参数V4识别号电压幅值 (峰值)， 不是均方根值相位角 (度)选择 OK7第7页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五建电阻器 . Circuitresistor当选择第二个位置时

4、，双击鼠标，使其同时也成为第三个位置这并不必须完全点取在同一个位置，电路建模器会自动捕捉到已存在的节点鼠标点取的第一点鼠标点取的第二点识别号电阻值 选择 OK8第8页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五建电感器 . Circuitinductor当选择第二个位置时，双击鼠标，使其同时也成为第三个位置这并不必须完全点取在同一个位置，电路建模器会自动捕捉到已存在的节点鼠标点取的第一点鼠标点取的第二点识别号电感值 (H)选择 OK9第9页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五建电容器 . Circuitcapacitor当选择第二个位置时，双击鼠标，使其同时也成为第

5、三个位置这并不必须完全点取在同一个位置，电路建模器会自动捕捉到已存在的节点鼠标点取的第一点鼠标点取的第二点识别号电容值 (farads)选择 OK10第10页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五到这里，建模就完成了电路单元的每一个闭合回路要求约束电压（ VOLT）自由度（接地）Preprocloadsapplyboundary-voltage-on nodes选取回路中的任何一个节点选择 OK11第11页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五执行求解Solunew analysis Harmonic设置激励频率Solutime/frequencfreq and

6、 substps选择 OKSolucurrent LS选择 OK12第12页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五为获取电路单元结果，可列表显示单元解缺省状态下的激活结果为虚数解Postproclist resultselement solution选择 OK13第13页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五虚数分量求解结果14第14页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五为获取电路单元结果，可列表显示单元解必须读入实数解Postproc-read results-by load step选择 REAL选择 OKPostproclist resu

7、ltselement solution15第15页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五实数分量求解结果16第16页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五2D 变压器应用实例问题描述变压器初极构成如下: 2 直流电阻 1080 匝变压器次极构成如下: .02 直流电阻 108匝电压源60 伏特峰值60 Hz 频率线圈在 75 C叠层长度: 70 mm初极次极磁路空气隙不同颜色表示不同材料17第17页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五分析过程利用对称性模拟次极短路情况建立电路模型实常数设置耦合进行交流分析后处理电流功率18第18页，共83页，2

8、022年，5月20日，6点37分，星期五物理区域描述铁区导磁叠片铁芯，无须考虑集肤效应线圈区绞线圈 (无集肤效应)导电率随温度的增加而增加初极由独立电压源（ IVS）驱动次极短路全部边线通量平行19第19页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五材料性质 铁r = 10,000: Not input线圈r = 1= 2E-7空气r = 1空气铁次极线圈初极线圈20第20页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五用 in_tran宏建立变压器对称的一半模型在命令行输入： in_tran变压器模型铁芯叠片: 材料 2空气隙初极次极21第21页，共83页，2022年，5月

9、20日，6点37分，星期五模型数据组件 初极线圈p-side (单元+节点)次极线圈s-side (单元+节点)单元类型 2 用于两个线圈区域两个线圈的横截面积相同，并用参数 ACOND定义单元类型 222第22页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五电路单元条件初极由一个独立电压源( IVS) 单元提供激励载荷用一个绞线圈将独立电压源( IVS)连接到有限元区域上 次极用一个小电阻模拟短路条件用一个绞线圈将电阻连接到有限元区域上要求在单元类型选项中激活这些自由度23第23页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五线圈区域单元类型的自由度选项必须激活Preproc

10、element type-add/edit/deleteOPTIONS选择 OK线圈单元类型号要求选取这些自由度24第24页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五每个线圈必须输入实常数数据，使之符合于指定的直流电阻值次边 (s-边) 实常数设置号2原边(p-边) 实常数为125第25页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五对于平面模型，绞线圈实常数数据组成如下区域截面积(CARE) = 线圈单元的总面积（可用面积求和）匝数(TURN)长度: 必须为折合长度 (LENG)电流正方向（“进”或“出”平面方向）（RIRZ ）线圈填充系数(FILL)（随后计算）线圈单元

11、图26第26页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五如果用两个截面来模拟线圈，则线圈电阻应分配到两个截面上如果只有一个截面模拟整个线圈电阻，那么这个截面必须相应于线圈电阻（例题所示）平面截面线圈填充系数表达式为：A RcoilCf = N2L式中 N = 线圈匝数 =电阻率 ( -M) L = 折合长度 (M) (折合长度L可能需作适当调整，以计及终端绕组的影响） A = 线圈区域单元面积 (m2) Rcoil = 单个线圈电阻()27第27页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五对于初极线圈N = 1080 L = .07 m = .2E-7 -m Rcoil

12、 = 2 A = ACOND = .00125 m2 Cf = .07258 (对应于一个线槽内的整个线圈)对于次极线圈N = 108 L = .07 m = .2E-7 -m Rcoil = .02 A = ACOND = .00125 m2 Cf = .653184 (对应于一个线槽内的整个线圈) 28第28页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五这些值输入到每个线圈的实常数组中初极线圈，实常数组设置为1 Preprocreal constants选择 EDIT对应于初极线圈对应于初极线圈选择 OK29第29页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五在实常数1

13、中，输入初极线圈数据线圈区单元类型号选择 APPLY (输入次极线圈数据)30第30页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五在实常数组2中输入次极线圈数据 选择 OK 31第31页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五建电路单元工作平面处于屏幕中心Preproccreatecircuitcenter WP建初极独立电压源IVS . Circuitindp vltg srcAC/DC harmonic变压器有限元区首先，鼠标选取起始节点其次，鼠标选取终止节点最后，鼠标点取电路单元的偏置位置32第32页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五峰值（电压

14、）相位角（度）电路单元标志号选择 OK注: 完成此窗口后，才显示实际电路单元第三个位置选取后输入:33第33页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五建立绞线圈单元(SCE) ，将plane53单元构成的线圈截面与独立电压源（IVS）相连接 . Circuitstrnd coil - 首先，鼠标选取SCE连接到IVS的一端第二，鼠标选取SCE 连接到IVS的另一端第三，用鼠标选取SCE 的偏置位置最后的鼠标点取将SCE连接到有限元区的横截面上 ，该单元必须为初极的有限元单元建初极线圈 34第34页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五绞线圈单元的附加信息标志各个S

15、CE允许SCE改变已定义好的实常数值选择 OK35第35页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五建电阻（1E-8欧姆），模拟短路. Circuitresistor鼠标第一次选取鼠标第二次选取鼠标第三次选取电阻器识别号和电阻值选择 OK建次极电路36第36页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五建SCE，将次极电路与电阻器(RES)相连接鼠标第一次选取将SCE 连接到RES鼠标第二次选取鼠标第三次选取最后的鼠标点取将SCE 连接到次极单元采用与前面定义过的绞线圈相同的数据选择 OK用户线路设备标识图37第37页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五

16、每个独立回路必须约束VOLT 自由度Preprocloadsapply-electric-boundary-voltage-on nodes每个独立回路选一个节点选择OK窗口输入“0” 选择OK38第38页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五选择 APPLY线圈区要求耦合CURR和EMF自由度以使电流守恒，以及使绕组电流均匀分布初极利用P-SIDE组件选取初极单元节点在初极生成两组耦合Preproccoupling/ceqncouple DOF选择 Pick ALL 39第39页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五在选取框内选择Pick ALL （由于由于前

17、面选了APPLY）选择 OK设置号必须不相同选择 OK初极耦合40第40页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五对初极必须生成相同类型的耦合组利用组件S-SIDE选择次极节点对次极生成两组耦合 Preproccoupling/ceqncouple DOF选择 Pick ALL选择 APPLY设置号必须唯一41第41页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五在选取框内选择Pick ALL （由于前面选了APPLY）设置号唯一次极耦合选择OK42第42页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五铁芯外边加通量平行边界条件Preprocloadsapplyb

18、oundaryflux parl on lines选择OK注：线段颜色变亮43第43页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五进行模拟，进入求解器Solunew analysis HARMONIC设置模拟频率Solutime/frequencfreq&substps选择 OK44第44页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五激活整个模型Utilityselecteverything开始求解SoluCurrent LS确认模型为二维电路附加自由度选择 OK45第45页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五 读入结果，图形显示两种结果Postprocb

19、y load step REAL实数解Postprocby load IMAGINARY虚数解46第46页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五确认线圈的直流电阻选择线圈区域（材料3）定义单元表选项(ERES) 求电阻Postprocelement tabledefine table ADD从Help查询PLANE53单元47第47页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五生成ERES求和只选初极线圈单元： p-side组件对全部激活单元的ERES求和Postprocelement tablesum of each item选择OK只选择次极线圈单元： s-sid

20、e组件对全部激活单元的ERES求和Postprocelement tablesum of each item选择 OK48第48页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五电路单元结果包括:线圈电流功率选择电路单元Postproclist resultselement solution 选择 OK为了得到实数解结果，首先重新读入实数解载荷步，重复上述列表（ List ）操作49第49页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五功率 (W)电流 (A)50第50页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五采用次极的短路结果，计算初极阻抗 Zeq= Vp/Isc

21、式中 Vp = 60 Isc = +.809 + j-3.39 (A) Zeq = 4.00 + j16.75 51第51页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五瞬态分析瞬态分析是时变分析的一种通用方式 非正弦输入脉冲宽度调制测试数据信号轨迹跃变电压电容放电交流分析不建议采用饱和材料需要精确的信号输出模型内包含永磁体在由磁体构成的致动器上加载跃变电压52第52页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五对物理区域的考虑与交流分析中的要求相同电压与线圈输入励磁载压线圈的附加数据面积、匝数、填充系数（轴对称）面积、匝数、方向、长度、填充系数（平面）电阻率RSVX (-m

22、)绞线圈与块导体块导体的自由度耦合块导体的电阻率RSVX终端条件短路与开路集肤区域的网格细化53第53页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五致动器采用跃变电压利用前面演示章节中用到的交流致动器跃变电压条件涡流效应用自动时间步作瞬态模拟数据贮存控制，有效地控制资源利用每个时间步后处理单自由度值（线圈电流）单元数据求和力功率（圆环）衔铁圆环线圈54第54页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五物理区域圆环自由空间磁导率电阻率 =.171E-7 -m电压供电线圈12 直流电阻400 匝衔铁和定子高电阻（无涡流）导磁率使用BH磁化曲线圆环线圈衔铁定子H (A/m)B

23、(T)55第55页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五励磁线圈加24伏跃变电压时间（S）电压(V)24圆环线圈衔铁56第56页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五利用trsolen宏命令生成模型、单元、实常数组、材料命令窗口输入trsolen建模 圆环线圈衔铁57第57页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五定义组件COIL (线圈单元)ARMATURE (衔铁)RING (圆环)线圈区域包括电流自由度（CURR）实常数(4)、400匝、24 电阻率RSVX为0.171E-7 -m 环线圈衔铁58第58页，共83页，2022年，5月20日，6

24、点37分，星期五完成边界条件设置施加衔铁力标志 Soluapplyflagcomp. force ARMATURE模型边界平行边界条件 Soluapplyboundary-flux parl-on lines线圈区域加24伏电压 Soluapplyexcitation-voltage drop-on areas (24伏电压加到线圈区)载压线圈的电流耦合59第59页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五定义瞬态分析Solunew analysis TRANSIENT选择 OK定义将结果写入结果文件的频度Soluoutput ctrlsDB /results file控制将结果写

25、入结果文件的频度， “2”表示每隔一个时间子步写入一次结果文件选择 OK60第60页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五定义载荷步时间和时间步长（子步长）Solutime/frequenctime and substps建议：利用前面分析中的L计算L/R 时间常数，并放大5倍起始时间步长为.01/40在第一时间步就施加激励61第61页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五允许程序自动确定时间步长定义允许的最小时间步长，时间步长由场的变化速度来控制定义允许的最大的时间步长。根据用户在后处理中绘图或列表时，要求观察多少个中间结果而定设为“yes”表示允许在瞬态分析

26、中使用前一时间步的时间步长步开始进行下一载荷步的分析选择 OK完成时间和时间步长的数据输入 62第62页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五开始分析激活整个模型Solucurrent LS确认分析类型已改变确认使用了电压供电线圈选项63第63页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五确认时间和时间步控制的输入数据证实结果存储的频度，缺省只保存每个时间步最后子步的结果64第64页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五选择 OK由于铁芯区使用了BH 曲线（非线性），在求解过程中会显示收敛范数求解时间（秒）在不断修正的65第65页，共83页，2022年

27、，5月20日，6点37分，星期五对整个分析过程的线圈电流进行后处理Time Histdefine variables ADD线圈节点的CURR自由度可以显示线圈电流的时间历程选择 OK用于结构分析66第66页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五在线圈区选择一个节点这是在线圈区选择的节点的节点号（自动输入）线圈电流自由度参考号 1选择 OK该名字将显示在图形窗口中，应其他变量名区分开来67第67页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五当前所定义变量的概总信息选择 CLOSE68第68页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五图示线圈电流选择 OK可

28、选择输入其他变量（采用相同标度）上述定义的参考号69第69页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五列出最大/最小值Thpostlist extremes选择OK (缺省情况下，列出全部变量)线圈电流的时间历程列表显示（随时间变化值）（根据所贮存的结果数据） Thpostlist variables选择 OK70第70页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五在每个时间步需要进行单元求和的项目，必须使用Elec&mag中的选项Time Histelec & magmagnetics概述文件和图形文件名衔铁磁力(牛)环功率损失（瓦）71第71页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五当显示概述文件时，操作即告完成72第72页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五trsol.plt图形文件可利用ANSYS中的DISPLAY实用程序观察（从ANSYS启动界面进入）1) 打开图形文件trsol.pltfileopen graphics file trsol.plt2) 按“Plot next”73第73页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五trsol.plt文件中还贮存有其他图形10-1圆环功率（瓦）74第74页，共83页，2022年，5月20日，6点37分，星期五可针对分析过的某个特定时间点对整个模型进行