ANSYS电磁场培训手册55

第四章

第1节

三维电磁模拟1三维（3D）模拟在很多情况下，电磁场分析要以三维（3D）方式进行模拟没有完全轴对称的模型衔铁上的通气孔定子周期性截面线圈区域靠近孔的饱和区非轴对称2三维（3D）模拟除Z轴方向外，模型还有其他方向的电流不同电流方向的多个汇流排3三维（3D）模拟具有平面和轴对称组合部件的模型衔铁外形复杂平面型定子具有确切外形的衔接和廉价迭片定子的致动器线圈区域4三维（3D）模拟轴向非均匀的模型10极永磁电机，建立了2极模型定子、永磁体和转子具有不同轴向长度永磁体转子定子5正如二维（2D）模拟一样，三维模拟功能也包括静态、交流和瞬态分析缺省的线性材料为各向同性（只赋予MURX值）三维（3D）材料选项包括对于所有三个方向的正交各向异性选项MURn和RSVn（n表示X、Y、Z三个方向）BH磁化曲线能用于磁导率正交各向异性的任一个方向，其余方向为常数在某正交各向异性方向应用BH曲线时，该方向的MURn应设置为零（只在正交各向异性材料中要求如此）三维单元包括远场边界单元与二维模拟相同，也支持复杂组合的物理区域交流分析的绞线导体与块导体电压与电流供电复杂铁磁区域6具有模拟三维模型运动的功能周期性边界条件改变线圈电流不相同网格执行动画文件:mach3d.avi观察转子转动画10极永磁电机，输入正弦电流7单元列式直接影响到模拟的各个方面施加通量垂直和平行边界条件何为自然边界条件？何为自由度约束？BH数据对收敛敏感性的影响ν-B2

曲线与μ-H曲线模拟激励的方法（绞线圈）可在模型中包含铁磁区模型中的铁磁-空气界面后处理通量计算（电动势（EMF）计算的起始点）“磁力线”显示三维模拟使用多种单元列式8三维（3D）模拟功能包括三种单元列式类型标量势单元列式（静态1）[SOLID96]简化标势法(RSP)用于没有线圈的铁-空气界面模型差分标势法(DSP)用于具有单通量路径的铁-空气界面模型通用标势法(GSP)用于具有多通量路径的铁-空气界面模型单元边列式（静态、交流、瞬态)[SOLID117]包含任意铁磁区域周期对称模型必须为全模型-不能有耦合磁矢量势(MVP)列式（静态、交流、瞬态）[SOLID97]无铁磁区域(1)如果模型中还有矢量势和界面单元INTER115，标量法能用于交流和瞬态模拟9标量势单元列式自由度:MAG通量垂直边界条件：MAG自由度必须被约束或耦合通量平行边界条件：这是自然边界条件，不要求施加。这种边界条件施加到模型边界上，不采用约束或耦合。有相应的菜单来施加标量法的通量平行条件，但只是一个注意项而已，无须使用。分析中BH曲线的使用必须检查μ-H曲线，保证其是“光滑”的10μ-H曲线由下下面菜单单绘制Utility>plot>datatables曲线上没没有波纹纹，求解解收敛性性就很好好选择OK11标量势的的激励是是基于Biot-Savart计算的，，使用预预先定义义的线圈圈形状-sourc36单元。因因此，对对应于线线圈或杆杆导体的的有限元元区域不不必直接接建模（（象二维维磁矢势势分析那那样）sourc36单元的帮帮助文件件中对线线圈原型型定义12线圈原型型常用于于某些类类型的致致动器，，但多数数情况下下，该线线圈以ARC型和BAR型相组合合构成“跑道”形线圈本章后面面对此有有详细描描述ARC型构成成跑道形形线圈转转角BAR型构成跑跑道形线线圈直直边13sourc36单元定义义它们不不要求求连接接成连连续单单元三个节节点用用于定定义线线圈原原型的的取向向和一一个特特征长长度在单元元实常常数中中定义义导体体厚度度和电电流（（安匝匝数）），模模型中中所用用厚度度相应应于导导线位位置而而不是是绝缘缘厚度度电流流流向对于图图示线线圈：：线圈长长度:.05m厚度.02m线圈中中间点点半径径.10m取向:沿沿+Z安匝数数:1,50014单元的的节点点：节点K处于线线圈中中心位位置即即节点点1(0,0,0)节点I处于线线圈中中间半半径位位置即即节点点2(0.1,0,0)节点J决定了了线圈圈取向向的定定义，，即节节点3(0,0.1,0)生成单单元前前需要要定义义sourc36单元，，该单单元无无单元元类型型选项项Preproc.>elementtype>add/edit/delete[ADD]线圈实实例NodeJNodeINodeK箭头方方向定定义电电源取取向（（右手手定则则15单元实实常数数设置置号应应该是是唯一一的，，或其其它相相同线线圈一一致。。实常常数应应在生生成单单元前前定义义。Preproc>realconstants选择ADD选择sourc36单元类类型.选择OK16完成线线圈定定义选择sourc36原型必须为为与单单元相相对应应的实实常数数安匝数数，方方向由由前面面幻灯灯片中中的红红箭头头所示示线圈厚厚度线圈轴轴向长长度DY、、DZ的单位位制要要与模模型一一致选择OK17先生成成单元元前，，要设设置单单元属属性Preproc>create>elements>elemattributes单元类类型实常数数（如如前面面幻灯灯片所所定义义的））人工生生成单单元（（不用用自动动生成成网格格）Preproc>create>elements>-autonumbered-thrunodes(顺次选选取节节点2,3和1））如果要要根据据实常常数中中设置置的尺尺寸来来显示示线圈圈图形形，则则图形形设置置必须须变更更。Utility>plotctrls>style>sizeandshape选择OK18在某些些情况况下，，要求求将“增强图图形”方式转转换为为“全图形形”方式Utility>plotctrls>style>hiddenlineoptions箭头长长度由由绘图图控制制选项项控制制PlotCtrls>style>vectorarrowscaling注：在在标准准工具具栏中中可直直接设设置“增强图图形”（将其其关闭闭）19利用改改变实实常数数数据据可改改变线线圈特特征Preproc>realconstants选择EDIT(初始生生成的的设置置）将0.05改为为0.1选择OK20应建完完整的的线圈圈组模模型实际上上有例例外线圈远远离铁铁芯区区域，，对铁铁芯内内磁场场产生生不重重要的的影响响模型中中只建建立了了2个个极和和1/2轴向长长度21标量列列式包包括三三种型型式的的标量量势，，每一一种适适用于于特定定的物物理区区域。可以采采用简简化标标量势势(RSP)的物理理区域域有:铁磁区区和永永磁体体无线圈圈的铁铁磁区区域无铁磁磁介质质的线线圈22RSP优点:模拟分分析为为单步步求解解相对于于其它它标量量方式式，其其计算算量最最小RSP缺点:“数值相相消”使RSP方法在在铁磁磁模型型内不不能使使用sourc36单元励励磁23RSP方法适适用于于模拟拟含有有铁空空气界界面和和永磁磁体的的系统统———分析析目的的为确确定转转矩与与转角角的关关系10极迭片片电机机的2极，，每极极锥角角为15度度24差分标标量势势(DSP)方法可可用于于模拟拟:线圈与与铁磁磁介质质区相相连永磁体体无铁磁磁区的的线圈圈限制：：模型型几何何体必必须满满足单单连通通条件件。当铁芯芯磁导导率接接近于于无限限大则则铁介介质中中磁场场强度度接近近零时时，可可确定定为单单连通通（致致动器器、具具有空空气隙隙电机机等））缺点:求解为为二步步过程程25直线加加速器器的C形磁体体气隙线圈产产生磁磁场控控制带带电粒粒子运运动带电粒粒子运运动这是一一个当当铁芯芯磁导导率变变得很很大时时，磁磁场强强度接接近零零的实实例26DSP方法适适合于于模拟拟含有有铁和和空气气界面面以及及sourc36单元电电流源源的系系统，，分析析目的的是确确定在在指定定定子子电流流形式式时转转矩与与转角角的关关系10极电机机的两两极模模型三相电电机的的绕组组截面面27通用标标势法法适用用的物物理模模型:Sourc36单元可可与铁铁磁区区相连连磁体励励磁通量条条件可可以定定义通通量（（Webers）可在无无铁芯芯介质质的模模型采采用Sourc36单元限制：：模型型几何何体必必须满满足多多连通通条件件若当铁铁介质质磁导导率为为无限限大时时，铁铁芯内内磁场场并不不接近近零，，则可可确定定为满满足多多连通通条件件（变变压器器、导导磁体体、具具有多多通量量路径径的模模型等等）缺点：：要分三三步求求解28闭合磁磁路电电感线线圈实例：：当铁铁芯磁磁导率率变大大时磁磁场不不为零零（多多连通通）29模拟远远场区区域的的模型型有二二种远远场边边界单单元(infin47和infin111)infin47这是一一个“壳”形单元元，可可用“esurf”生成模型外外表面面不要要求设设置其其它标标志远场自自由空空间从帮助助（Help））查看infin47单元30infin111砖型单单元本单元元比使使用infin47更精确确单元的的外表表面要要求设设置标标志Preproc>loads>apply>flags>-infinitesurface-onareas中间节节点适适用于于具有有中间间节点点的六六面体体单元元（solid98)31单元元边边列列式式是是一一种种最最先先进进的的用用于于模模拟拟三三维维（（3D））复杂杂铁铁磁磁模模型型的的计计算算方方法法自由由度度：：AZ(VOLT用于于交交流流或或瞬瞬态态分分析析））通量量垂垂直直条条件件:这是是自自然然边边界界条条件件，，不不要要求求施施加加。。这这种种条条件件加加到到模模型型边边界界，，不不用用约约束束和和耦耦合合通量量平平行行边边界界条条件件AZ自由由度度必必须须加加约约束束模拟拟时时使使用用BH曲线线ν-B2曲线线必必须须确确认认为为“光滑滑”中间间节节点点32利用用线线圈圈励励磁磁的的模模型型与与二二维维（（2D））模拟拟相相似似：：线线圈圈区区域域必必须须为为有有限限元元网网格格.电流流密密度度有有三三个个分分量量JSX,JSY,JSZ这些些分分量量对对应应于于单单元元坐坐标标轴轴方方向向任意意直直角角坐坐标标系系任意意圆圆柱柱坐坐标标系系总体体坐坐标标系系转角角部部分分需需要要JSY（（局部部柱柱坐坐标标系系的的环环向向方方向向））直段段部部分分用用总总体体坐坐标标系系线圈圈区区截截面面333DMVP列式式自由由度度：：AX、、AY、、AZ(VOLT用于于交交流流或或瞬瞬态态分分析析））通量量垂垂直直边边界界条条件件:这是是自自然然边边界界条条件件，，但但是是，，垂垂直直于于边边界界的的A分量量必必须须设设为为零零X-Y平面面,AZ必须须约约束束为为零零X-Z平面面,AY必须须约约束束为为零零Y-Z平面面,AX必须须约约束束为为零零34通量量平平行行边边界界条条件件模型型平平面面内内的的A分量量必必须须设