ANSYS电磁场分析指南 第七章 3-D谐波磁场分析棱边单元法

第七章３-Ｄ谐波磁场分析（棱边单元方法）用棱边元方法进行谐波分析3-D（棱边元方法）与静态分析的特点基本相同，但前者只支SOLID117详见《ANSYS单元手册》和《ANSYS理论手册》。物理模型区域的设置和特性ANSYS3-D示导体的不同的终端条件：DOFs:AZ,VOLTDOFs:AZ,VOLT导体材料特性：m(MURX),r(RSVX)r特殊特性：耦合VOLT自由度，给单个节点加总电流(F,,amps)。注：带有净电流的短路条件，净电流不受环境影响。DOFs:AZ,VOLT开路导材料特性：m(MURX),r(RSVX)r体VOLT=03-D结构，令一个节点的VOLT=0。DOFs:AX,AY,AZDOFs:AX,AY,AZ载流绞线圈 材料特性：m(MURX)R特殊特性：没有涡流，可以加源电流密度,JS特殊特性：没有涡流，可以加源电流密度,JSDOFs:AZ,VOLT短路导体材料特性：m(MURX),r(RSVX)r注：令导体对称面上的VOLT=0自由度：AZ叠层铁芯材料性质：μ自由度：AZ（MURX）r空气材料性质：μ （MURX）r运动导体可用SOLID117单元模拟恒速运动导体的速度效应，关于运动导体（速度效详情，见本章和第2章应）速度效应在交流23DKEYOPT2D且垂直于运动方向的运动体截面应保持常数。KEYOPT（2）=13DKEYOPT（1）=1（AZVOLT）来实现。运动导体分析中能设置的实常数如下表所示：VELOX，VELOY，VELOX，VELOY，总体笛卡儿坐标系下的X、Y、Z三个方向的速度分量VELOZOMEGAX，总体笛卡儿坐标系下的XYZ（单OMEGAZ位为HZ），XLOC，YLOC和ZLOCXLOC0.0001HZ而对于迭代解法，过低的频率会导致求解不收敛。3-D（棱边元方法）的步骤GUIMagnetic-Edge项定义任务名和题目命令：/FILNAME和/TITLEGUI:UtilityMenu>File>ChangeJobnameUtilityMenu>File>ChangeTitleANSYS命令：/PREP7GUI:MainMenu>Preprocessor4.选择SOLID117单元命令：ET,,solid117GUI:MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete5.选择SOLID117单元选项对导电区用AZ-VOLT自由度，对不导电区用AZ自由度．命令：KEYOPTGUI:MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete6.定义材料特性对涡流区必须说明电阻值RSVX，其它详见“二维静态磁场分析”一章7.建立模型对建立几何模型和划分网格的描述，详见“ANSYS建模与分网指南”8.赋予特性命令：VATTGUI:Mainmenu>Preprocessor>-Attributes-Define9.划分网格（用Mapped网格）命令：VMESHGUI:MainMenu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Volumes-Mapped10.进入求解器命令：/SOLUGUI:MainMenu>Solution命令：DAGUI:MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-BoundaryAZ=0说明。加电流密度载荷命令：BFE,jsGUI:MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Excitation除了加电流密度载荷外，还可以给一个块导体加总电流：命令：F,,ampsGUI:MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Electric-Excitation>-ImpressedCurrent->OnNodes注：在加总电流之前需耦合节点VOLT自由度。选择谐波分析类型和工作频率命令：ANTYPE,harmic,newGUI:MainMenu>Solution>NewAnalysis>Harmonic命令：HARFRQGUI:MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>FreqandSubstps.FrontalICCG命令：EQSLVGUI:Mainmenu>Solution>AnalysisOptions15.选择载荷步选项求解命令：SOLVE(设置OPT域为0)GUI:MainMenu>Solution>－Solve-CurrentLS当使用棱边单元方程时，在缺省情况下，ANSYS程序先自动估算整个选择了单元和节点的计算区域。此时通过把自由度的值设置为零来去掉不需要的自由度；这使ANSYS能更块地进行解算：命令：GAUGEGVI:MainMenu>Solution>LoadStepOpts–magnetics>–OptionsOnly–Gauging使用棱边单元做电磁分析必须要求估算，因此，在大多数情况下，不要关闭自动估算。SOLUTION命令：FINISHGUI:MainMenu>Finish按照如下过程进行后处理观察结果ANSYSANSYS/EmagJobname.RST）w（即滞后于输入载荷（可cos(wtsin(wt参看《ANSYS结果数据包括：主数据：节点自由度（AZ,VOLT）导出数据：·节点磁通量密度（BX,BY,BZ,BSUM）·节点磁场强度（HX,HY,HZ,HSUM）·节点洛仑兹磁力（FMAG:X,Y,Z分量和SUM）·单元总电流密度（JTX,JTY,JTZ）·单位体积生成的焦耳热（JHEAT）·单元磁能POST1POST26POST1来观看数据。按照如下方式选择后处理器：命令：/POST1,/POST26GUI:MainMenu>GeneralPostprocMainMenu>TimeHistPostproGUI。（见下表）任务任务命令选择实部解SET,1,1,,0GUI路径MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ResultsSummary选择虚部解SET,1,1,,1列出边通量自由度AZ5列出时间积分电势（VOLT）5PRNSOL,AZPRNSOL,VOLTMainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ResultsSummaryMainMenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolutionMainMenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolution列出角节点处的磁通量密度1、5列出角节点处的磁场强度1、5列出单元形心处总电流密度5列出角节点处的力2、PRVECT,BPRVECT,HPRVECT,JTPRVECT,FMAG6MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>VectorDataMainMenu>GeneralResults>VectorDataMainMenu>GeneralResults>VectorDataMainMenu>GeneralPostproc>ListResults>VectorData列出单元节点上的边通量密度5列出单元节点上的磁场强度5列出单元形心处的总电流密度5

PRESOL,BPRESOL,HPRESOL,JT

MainMenu>GeneralResults>VectorDataMainMenu>GeneralResults>VectorDataMainMenu>GeneralResults>VectorDataMainMenu>GeneralPostproc>List列出单元节点力列出磁能3、5列出焦耳热密度

2、4、

PRESOL,FMAGPRESOL,SENEPRESOL,JHEAT

Results>VectorDataMainMenu>GeneralResults>VectorDataMainMenu>GeneralResults>VectorData创建单元中心磁通5的X表(Y、Z和SUM分量类似)创建单元中心磁场5的X表(Y、Z和SUM分量类似)创建焦耳热密度的单元表4、6创建单元中心电流5的X表(Y、Z和SUM分量类似)26的分量单元表(Y、Z和SUM分量类似)创建单元贮存磁能的单元表3列出选定的单元表项

MainMenu>GeneralETABLE,LAB,B,X Postproc>ElementTableMainMenu>GeneralETABLE,LAB,H,X Postproc>ElementTableMainMenu>GeneralETABLE,LAB,JHEATPostproc>ElementTable>DefineTableMainMenu>GeneralETABLE,LAB,JT,X Postproc>ElementTableMainMenu>GeneralETABLE,LAB,FMAG,XPostproc>ElementTable>DefineTableMainMenu>GeneralETABLE,LAB,SENE Postproc>ElementTableMainMenu>GeneralPRETAB,LAB,1,„Postproc>ListResults>ElemTableDataTableData注：1、节点处的导出数据是周围单元解的平均值。2、对于单元解，力是整个单元上的合力，但分布在单元节点上，以便于进行耦合分析。3、能量是对所有单元求和的结果。4、乘以单元体积，可得到能量损失。5、对于时谐分析，其值为瞬态解(实部/ωt=0ωt=-90)6、均方根值:实部和虚部的平方和再开方注意：关于更多的注释信息，参见《ANSYS理论手册》。ETABLESOLID117论参见《ANSYS对于这些选项都可以图形化输出，把以上命令的“PR”替换成“PL”即可。（比如用PLNSOL代替PRNSOL）。此命令

替换成的命令

或者GUI路径：UtilityMenu>Plot>Results>ContourPlot>NodalPRNSOLPRVECTPRESOLPRETAB

SolutionUtilityMenu>Plot>Results>VectorPlotUtilityMenu>Plot>Results>ContourPlot>ElemSolutionUtilityMenu>Plot>Results>ContourPlot>ElemTableData还可以画出单元表的各个项目。参见《ANSYS基本过程手册》。《ANSYSAPDL手册》中还有相应的方便后处理的一些命令和宏。下面“从结果文件中读数据”讨论了一些时谐分析后处理中的一些典型操作。详细的操作参见《ANSYS基本过程手册》。从结果文件中读数据POST1ANSYS中，而且结果文件（Jobname.RMGJobname.RST）也必须可用。时谐分析的结果文件是复数，由实部和虚部组成。用下列方式读入数据：命令：SETGUI:UtilityMenu>List>Results>LoadStepSummary求实部和虚部的平方和之平方根得到结果的幅值，这可以通过载荷工况运算完成。画等值线等值线几乎可以显示任何结果数据（如磁通密度，磁场强度，总电流密度（JTZ））。命令：PLNSOLPLESOLGUI:UtilityMenu>Plot>Results>ContourPlot>ElemSolutionUtilityMenu>Plot>Results>ContourPlot>NodalSolution（如磁通密度和磁场强度的等行平均，使用下列办法：命令：AVRES,2GUI:MainMenu>GeneralPostproc>OptionsforOutp列表显示在列表显示之前，可先对结果进行按节点或按单元排序：命令：ESORT，NSORTGUI:MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>SortNodesMainMenu>GeneralPostproc>ListResults>SortElems然后再进行列表显示：命令：PRESOL，PRNSOL，PRRSOLGUI:MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ElementSolutionMainMenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolutionMainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolu计算其他感兴趣的项目从后处理可用的数据库中，还可以计算其他感兴趣的项目（如全局磁力、力矩、源的输入能量、电感、磁链和终端电压）ANSYS些计算：·MMF宏计算沿一路径的磁动势·POWERH宏计算导体的均方根（RMS）能耗想了解更多的宏，请参见第11章“电磁宏”。求时间平均洛仑兹力谐波分析中导体受到的洛仑兹力是按实部和虚部的方式分别存贮的，可如下计算导体任何区域所受到的时间平均洛仑兹力：esel,s,...!Selectelementstocalculateforceset,1,1!Storerealsolutionetable,fxr,fmag,x!Storerealpartofrmsetable,fyr,fmag,yetable,fzr,fmag,zset,1,1,,1!Storeimaginarysolutionetable,fxi,fmag,x!Storeimaginarypartofrmsetable,fyi,fmag,yetable,fzi,fmag,zsadd,fxrms,fxr,fxi!Calculatetime-averagecomponentssadd,fyrms,fyr,fyisadd,fzrms,fzr,fzissum!Sumoverallselectedelements*get,fxrms,ssum,,item,fxrms!Retrieveforcesasscalarparameters*get,fyrms,ssum,,item,fyrms*get,fzrms,ssum,,item,fzrms算例：用棱边元方法计算电机沟槽中的磁场分布问题的描述：本例题计算电机沟槽中的磁场分布：在交流情况下，计算磁场、能量，焦耳热损耗和受力。问题的分析区域和沟槽导体模型分别如图2和图3所示。本算例所用到的参数：几何特性几何特性l=0.3m材料特性r=1E-载荷i=2236Ð26.57d=0.1mW=0.01m=2000+j1000amps(K)Freq=3Hz上表给出了电机的几何形状、导体的电导率和磁导率等参数，导体中的电流26.57°(3Hz目标结果：时间平均力FXms=-46.89N时间平均焦耳热PAVG=25.9W假定沟槽顶部和底部的铁材料都是理想的，可加磁力线垂直条件，这无需说明，程序自动满足。x=d,z=0z=1自动满足，需要说明面上的边通量自由度为常数，通常使之为零。本算例采用MKS/BATCH,LIST/TITLE,harmonicanalysisdemoofmagneticedgeelement/COM/NOPR!!***Definemodelparameters!l=0.3!lengthd=0.1!depthw=0.01!widthmur=1!relativemagneticpermeabilityrho=1.0e-8!electricresistivity(requiredforJouleloss)fr=3!rotorfrequencyat5%slipcurr=2000.0!currentrealcuri=1000.0!currentimaginaryn=20!meshingparameterpi=3.1415926mu0=pi*4.0e-7!freespacepermeability!!***createmodel!/prep7!enterpreprocessor!ET,1,117,1!Elementtype#1,isamagneticedgeelement,117.!Notetheretheisa1inthenextcommandslot.!Thisisakeyoption.Keyoptionsareusedto!modify/describefeaturesofthedefaultelement.!Thedefaultedgeelementhasonlyedgeflux,AZ,!degreesoffreedom,DOFs,supportedbythesidenodes.!AharmonicanalysisrequirestheVOLTDOFsatthe!cornernodes.Thisisselectedbyturningonkeyoption1.!Ingeneraltherecanbemanykeyoptionsfora!particularelement.Incaseofelement117,!keyoption5canbeusedforprint-outcontrol.!MP,MURX,1,mur!Definerelativepermeabilityofmaterial#1MP,RSVX,1,rho!Defineelectricresistivityofmaterial#1.!BLOCK,0,d,0,w,0,l!Definerectangularblock(brick)volumeregion,!LSEL,S,LOC,X,d/2!SelectlinestospecifythenumberofelementsLESIZE,ALL,,,n!DividethelinesalongtheslotdepthformeshingLSEL,ALL!Selectalllines.xESIZE,,1!Subdividedunmeshedlinesinto1part!VMESH,ALL!Meshsolidvolumes.FINISH!Exitpreprocessor!/SOLU!Entersolutionprocessing!ANTYP,HARM!harmonicanalysis!HARFR,fr!specifyharmonicfrequency!!***ApplyDirichletboundarycondition!!---Theboundaryconditionsfortheedge-fluxDOFarethesame!asinthestaticcase.Atthefluxparallelboundaries,!,x=d,z=0andz=l,theedge-fluxDOFs,AZ,aresettozero.!NSEL,S,LOC,X,d!selectnodesatx=dNSEL,A,LOC,Z,0!addnodesatz=0totheselectedsetNSEL,A,LOC,Z,l!addnodesatz=ltotheselectedsetD,ALL,AZ,0!setAZDOFsonallselectednodestozero!!---Inaharmonicanalysisboundaryconditionshouldbespecified!fortheVOLTDOFs,too.Thecurrentdensityisnormaltothe!faces,z=0andz=l.z=0isselectedasground,i.e.VOLT=0here.!TheVOLTDOFsarethesameatz=l.However,theiractualvalue!isnotknown.Thisiscalledasafloatingpotentialcondition.!ThiscanbeprescribedinANSYSbycouplingtheDOFs.Instead!ofmanyunknowns,ANSYSeliminatesallbutoneinacoupledset.!TheonlyremainingunknownDOFsiscalledthemasterDOF.!Aftersolutionisdone,theeliminatedslaveDOFsinherit!thecomputedvalueofthemasterDOFs.Thisprocedureis!transparenttousers.!!ThereisstilloneextraDOF,i.e.themasterDOFasan!extraunknowncomparedtothenumberofequations.Themissing!conditionisthatthetotalcurrentofthebarintheslot!isgiven.SinceJ=-jomega[A+gradV],theimpressed!currentisrelatedtothenormalcomponentofthetime!integratedscalarpotential,V.Theimpressedcurrentcan!beprescribedbyanFcommand.WhereasaDcommandisused!tospecifytheactualvalueofDOFs,theFcommanddescribes!thenormalderivative.(HistoricallyDandFstandfor!displacementandforce,respectively,whicharethepertinent!variablesofvoltandcurrentinastructuralanalysis.)!NSEL,S,LOC,Z,0!selectnodesatz=0D,ALL,VOLT,0!setVOLTDOFstozeroonselectedNSEL,S,LOC,Z,l!selectnodesatz=lCP,1,VOLT,ALL!coupleallselectednodes.Thisconstitutes!coupledset#1.ANSYSallowstodefinemany!coupledsets.Thiscouldbeexplored,for!example,todefinecurrentsinseveralbars.!Herweuseonlyonecoupledset.!*get,n1,node,,num,min!getanodeatz=lF,n1,AMPS,curr,curi!impresscurrentatspecifiednode.!NSEL,ALL!selectallnodes!!***assembleandsolveequationssystem!SOLVE!FINISH!exitsolutionprocessing!!***Extractsolution!/POST1!Enterpostprocessor!/COM/COM*********realpart***************/COMSET,1,1!Aharmonicanalysisprovidestworesultdatasets.!TheSETcommandisusedtoselectadataset!tocarryoutoperationsupon.Thedefaultset!istherealpartofthelastsolutionstep.!!***Usetheelementtable(ETABLE)optionto!-storepostprocessingitemssuchasvolume,centroidcoordinates!magneticfield,fluxdensity,currentdensity,elementenergy,!Jouleloss,magneticforce!-printitemsinatableformat!-carryoutoperationsoveritems!-obtaintotalsbysummingupelementitems!!---defineelementtableitem!ETABLE,fxr,FMAG,X!Storerealxcomponentoftime-averageforce!POWERH!calculatetime-averagepowerloss!/COM/COM*********imaginarypart***************/COMset,,,,1!selectimaginarydatasetsolution!similaroperationsthatontherealset!ETABLE,fxi,FMAG,x!Storeimaginarycomponentoftime-averageforce!SADD,fxrms,fxr,fxi!Calculatetime-averageforcebysummingcomponents!SSUM!Sumelementitemstoobtaintotals!FINISH!!***advancedpart:coupling!!Uptothispointmagneticswasconsideredonly.!Itisdemonstratedbelow,howtheresultsofamagneticanalysis!canbepassedtosubsequentthermaland/orstructuralanalyses.!!***couplewiththermalanalysis!/PREP7!enterpreprocessor!nodesandelementsdefinedinthemagneticanalysis!areusedforthethermalanalysis!ET,1,90!changeelementtype#1,whichusedtobeamagnetic!elementtoathermalelement!LDREAD,HGEN,,,,2,,rst!Readheatgeneration(HGEN)loadfromtheresultfile,!ofthemagneticanalysiswhichdefaultstojobname.rst!!Notethattheresultfilenamechangedcomparedto!astaticanalysis.!