电磁场基础知识第三章

电磁场基础知识第三章第一页，共八十页，编辑于2023年，星期日交流模拟的基本概念交流模拟是一种随时间变化的模拟假定励磁为正弦波角(度)励磁电压(V)

电流密度(A/m2)

2第二页，共八十页，编辑于2023年，星期日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3第三页，共八十页，编辑于2023年，星期日通量平行条件通量垂直条件绞线圈二维轴对称有限元模型电流密度:1E6A/m2

频率:100Hz导电杆4第四页，共八十页，编辑于2023年，星期日二种求解结果:实数解:线圈励磁相位0度虚数解：相位差90度实数解虚数解5第五页，共八十页，编辑于2023年，星期日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：acaz.avi观察场动画6第六页，共八十页，编辑于2023年，星期日根据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acjt.avi，观察电流动画7第七页，共八十页，编辑于2023年，星期日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8第八页，共八十页，编辑于2023年，星期日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外半径(m)9第九页，共八十页，编辑于2023年，星期日集肤效应是由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：

δ=(πμσf)-1/2(m)式中μ=磁导率=μrμ0σ=电导率=1/ρ

=电阻率(Ohm-m)f=频率(Hz)10第十页，共八十页，编辑于2023年，星期日导电杆取下列数据:μ=100

μ0μ0=1.2566E-6(H/m)ρ=2E-7(Ohm-m)f=100(Hz)代入,δ=[(3.1415)(100)(1.2566E-6)(.5E+7)(100)]-1/2δ=.0023mδ=2.3mm与图形相对应，从外半径（7.7mm）向内2.3mm，由于轴对称形状的影响，电流衰减值大于表面电流值的1/e(2.71)。11第十一页，共八十页，编辑于2023年，星期日

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12第十二页，共八十页，编辑于2023年，星期日(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13第十三页，共八十页，编辑于2023年，星期日块导体: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: 变压器中的大导体 鼠笼电机导电杆 感应加热

14第十四页，共八十页，编辑于2023年，星期日

BSUM(T)MX电流密度幅值(A/m2)MX导电杆在绞线圈内的圆柱形导电杆上能观察到涡流效应15第十五页，共八十页，编辑于2023年，星期日(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?三维导体终端连接二维模型16第十六页，共八十页，编辑于2023年，星期日端部短路条件—不用任何对称条件，只模拟导体一部分:三维导体终端连接部分导体不建模二维模型17第十七页，共八十页，编辑于2023年，星期日端部开路条件: 导体端部是否分开以至于电流不能在导体之间流过?三维导体在终端开路二维模型18第十八页，共八十页，编辑于2023年，星期日

材料性质:要模拟涡流，需另外提供的材料性质是电阻率(RSVX)

单位：欧姆-米某些单元类型选项要求定义电阻率，可参考单元选项的帮助文档RSVX可以是的温度的函数19第十九页，共八十页，编辑于2023年，星期日如何模拟叠片铁芯?

叠片允许使用可导磁的材料，但无损于铁芯中涡流的发展。 可是，BH数据和磁导率是频率、叠片材料和叠片厚度的函数。 通常，如果存在空气隙，就可不需要考虑迭层系数。如果需要考虑的话，迭层系数效应包含在磁导率数值内。 20第二十页，共八十页，编辑于2023年，星期日迭片平行于磁通:

μeff=S(μr-1)+1式中

μr=迭片磁导率

S=Wi/(Wi+Wa)Wi=一个迭片厚度Wa=迭片之间非导磁材料厚度叠片磁通方向21第二十一页，共八十页，编辑于2023年，星期日迭片垂直于磁通:

μeff=μr/[μr-S(μr-1)]式中

μr=迭片磁导率

S=Wi/(Wi+Wa)Wi=单个迭片厚度Wa=迭片之间非导磁材料厚度磁通方向叠片22第二十二页，共八十页，编辑于2023年，星期日应用:电机槽内导体问题描述平面导体为电流供电导体为块导体导体和空气都在磁导率无限大的槽内分析顺序建模加边界条件执行模拟后处理磁力线功率损失导体空气铁23第二十三页，共八十页，编辑于2023年，星期日性质

导体:

μr=1 ρ=17.1μΩ-mm

空气:μr=1

槽材料:完全导磁材料励磁 1安培(峰值)交流电流 初始相位为0度空气铁导体24第二十四页，共八十页，编辑于2023年，星期日因为电流加在整个导体截面上，要求VOLT自由度耦合建立两种单元类型空气为1号单元类型导体为2号单元类型，具有VOLT自由度Preproc>elementtype>add/edit/delete导体为2号单元类型平面选择OK25第二十五页，共八十页，编辑于2023年，星期日建立空气材料(MURX=1)性质（1号材料）

Preproc>materialprops>isotropic(用Apply来选择)建立导体材料(MURX=1andRSVX=17.1E-9)性质（2号材料）

Preproc>materialprops>isotropic选择OK26第二十六页，共八十页，编辑于2023年，星期日为建模输入参数A=6.45mmB=8.55mmC=8.45mmD=18.85mmE=8.95mm用二者之一 1)窗口命令

2)Utility>parameter>scalar输入参数后选择Accept

27第二十七页，共八十页，编辑于2023年，星期日选择Apply建立导体上半部份建立导体下半部份

Preproc>create>rectangle>bydimensions把上下导体连成一个平面

Preproc>operate>add>areas[PickAll]28第二十八页，共八十页，编辑于2023年，星期日建空气间隙利用glue操作连接两个平面

Preproc>operate>glue>areas选择PickAll选择OK29第二十九页，共八十页，编辑于2023年，星期日空气区域属性的缺省值为1号材料和1号单元给导体赋属性Preproc>-Attributes-define>pickedareas(选择导体)选择OK30第三十页，共八十页，编辑于2023年，星期日生成网格Preproc>mesh>-areas-freemesh选择PickAll打开材料号显示31第三十一页，共八十页，编辑于2023年，星期日模拟端部条件需要耦合电压（VOLT）自由度选择导体节点32第三十二页，共八十页，编辑于2023年，星期日进行耦合

Preproc>coupling/ceqn>coupleDOFs耦合显示符号主节点选择OK33第三十三页，共八十页，编辑于2023年，星期日空气隙上部加通量平行条件

Preproc>loads>apply>boundary>fluxpar‘l>onlines34第三十四页，共八十页，编辑于2023年，星期日利用.001系数来缩放模型，使其单位制从毫米变化到米选择整个模型

Preproc>operate>scale>areas选择OK35第三十五页，共八十页，编辑于2023年，星期日给导体加峰值电流（安培）

Preproc>loads>apply>-electric-excitation>onkeypoints选取导体的任一个关键点给该点加上1安培峰值电流选择谐波分析类型

Solution>newanalysis (选择Harmonic)36第三十六页，共八十页，编辑于2023年，星期日设置分析的交变频率

Solution>time/frequenc>freq&substeps终止频率：允许模拟多个频率多个频率模拟时，确保相同频率激励确定（模拟）中间频率分段数37第三十七页，共八十页，编辑于2023年，星期日

进行模拟

Utility>select>everythingSolution>currentLS

选择OK38第三十八页，共八十页，编辑于2023年，星期日后处理可处理两个解检察外加电流时的同相场(实数解)

Postproc>byloadstep>选择OK39第三十九页，共八十页，编辑于2023年，星期日电流分布选择导体

Postproc>elec&magcalc>current对于实数解磁力线图示

Postproc>plotresults>2Dfluxlines40第四十页，共八十页，编辑于2023年，星期日利单元表数据JT（实数解）看电流等值图

Postproc>plotresults>elemtable41第四十一页，共八十页，编辑于2023年，星期日检察与外加电流相差90度相位的场量（虚数解）

Postproc>byloadstep>选择OK42第四十二页，共八十页，编辑于2023年，星期日磁力线图示 Postproc>plotresults>2Dfluxlines电流分布选择导体

Postproc>elec&magcalc>current虚数解

43第四十三页，共八十页，编辑于2023年，星期日Postproc>plotresults>elemtable(虚数解)选择OK44第四十四页，共八十页，编辑于2023年，星期日计算导体中的功率损失

Postproc>elec&magcalc>powerloss功率损失为单位导体长度结果以参数方式贮存，可用命令Utility>>parameter>scalar来观察45第四十五页，共八十页，编辑于2023年，星期日图示功率损失

Postproc>plotresults>elemtable(PLOSSD)选择OK46第四十六页，共八十页，编辑于2023年，星期日应用实例:带圆环的交流致动器例题描述轴对称加载电压绞线型线圈屏蔽极是一个圆环分析顺序建模加边界条件和载荷进行模拟后处理时间平均力屏蔽极功率损失线圈阻抗

Z=V/I=Re+jRi47第四十七页，共八十页，编辑于2023年，星期日Units:m材料性质:

线圈:铜

直流电阻:12Ω 400匝,32线径

ρ=17.1μΩ-mm铜环:

μr=1 ρ=17.1μΩ-mm

空气:μr=1

定子和衔铁:铁素体

μr=1000 ρ>1Ω-m励磁: 24VRMSAC模型:轴对称48第四十八页，共八十页，编辑于2023年，星期日物理区域描述屏蔽极 圆环是连续的 截面电流不为零.线圈 线圈由小于32线径导线组成，细绞线忽略集肤效应.铁芯区(衔铁和定子) 导磁 电阻太大而不计涡流.

49第四十九页，共八十页，编辑于2023年，星期日利用acsolen.mac宏建模未图示空气单元线圈属性单元类型:设置2号单元(Plane53)线圈要求电压供电实常数设置设置4要求相应于直流电阻12欧姆的线圈400匝50第五十页，共八十页，编辑于2023年，星期日屏蔽环属性连续圆环：短路状态单元类型:1号单元(Plane53)材料设置4电阻率RSVX定子（非导体）单元类型:1号单元(Plane53)材料号2衔铁（非导体）单元类型:1号单元(Plane53)材料号3Shadingring51第五十一页，共八十页，编辑于2023年，星期日为了确定自由度，可查询Help Utility>Help>TofC>analysisguide>Electromagnetic>Harmonic52第五十二页，共八十页，编辑于2023年，星期日确定线圈单元类型选项

Preproc>elementtype>add/edit/dele>选择OK选择Options53第五十三页，共八十页，编辑于2023年，星期日空气定子衔铁线圈屏蔽圆环证实材料性质54第五十四页，共八十页，编辑于2023年，星期日建立电阻为12欧姆、400匝的轴对称线圈的实常数数据实常数数据要求:线圈模型横截面(Ac)单位:m2线圈匝数（400）填充系数(CF)CF=Aw/AcAw=铜线总截面积（不包括绝缘层）单位:m255第五十五页，共八十页，编辑于2023年，星期日将面积输入参数ACOND

Utility>parameters>getscalar选择OK求得线圈的截面积选择线圈平面计算线圈截面积 Preproc>operate>calcgeomitems>ofareas>OK56第五十六页，共八十页，编辑于2023年，星期日输入参数名选择OK由Utility>parameters>scalar菜单证实参数57第五十七页，共八十页，编辑于2023年，星期日线圈填充系数必须由匝数、电阻率和面积组成，从而得12欧姆的线圈直流电阻轴对称矩形线圈填充系数Cf表达式为

式中

ρ=.17241E-7 N=400 Ac=ACOND参数

Xc=线圈横截面质心径向距离 质心径向尺寸Xc可输入XCOND参数

2πρXcN2

AcRcoilCf=58第五十八页，共八十页，编辑于2023年，星期日Utility>parameters>getscalar选择OK选择OK输入参数名59第五十九页，共八十页，编辑于2023年，星期日选择Accept线圈填充系数CF由

Utility>parameters菜单计算许多致动器设计都在同一窗口并联多个线圈，如果只对一个线圈进行模拟，则只要求建立这一个线圈的模型，这导致填充系数看起来很低60第六十页，共八十页，编辑于2023年，星期日假设线径和匝数已选定（线圈电阻未知）查找本线规的总截面积线径32，Aw=.0324mm2

Cf=铜的总截面积/线圈截面积

Cf=400(.0324)(1E-6)/6.6E-5=.19661第六十一页，共八十页，编辑于2023年，星期日为线圈建立4号实常数Preproc>realconstants选择Add选择OK62第六十二页，共八十页，编辑于2023年，星期日输入线圈实常数数值，选择OK应用下列菜单列出实常数

Utility>list>properties>allrealconstants63第六十三页，共八十页，编辑于2023年，星期日线圈区域需要对全部节点的CURR自由度值相同（由于电流守恒，流进线圈的电流必须等于流出的电流值）线圈区域耦合节点选择线圈区域全部节点Preproc>coupling>coupleDOFPickAll选择OK必须是一个新的设置参数号64第六十四页，共八十页，编辑于2023年，星期日利用APDL可以获得当前的最大耦合设置号

Utility>parameters>getscalardata输入参数名选择OK输入的耦合组号应是CP_MX+1选择OK65第六十五页，共八十页，编辑于2023年，星期日加上电压励磁Preproc>loads>apply>-voltagedrop-onareas选择线圈区域（面积）选择OK峰值电压66第六十六页，共八十页，编辑于2023年，星期日沿模型边缘加通量平行边界条件

Preproc>apply>boundary>-fluxpar‘l-onlines选择模型边缘上的全部线衔铁组件施加力标志

Preproc>apply>flag>comp.force选择OK67第六十七页，共八十页，编辑于2023年，星期日选择分析类型，进行模拟

Solu>newanalysis选取谐波分析设置激励频率（60Hz）

Solu>time/frequenc>freq&substps

选择OK开始求解

Solu>solvecurrentls选择OK68第六十八页，共八十页，编辑于2023年，星期日AC模拟实际上可得两组结果数据节点和单元的与激励同相的场量结果（实数解）节点和单元的与激励相差90度相位的场量结果（虚数解）读入虚数解

Postproc>byloadstep...选择OK69第六十九页，共八十页，编辑于2023年，星期日得到虚数解磁力线（虚数部分场量为缺省条件)

Postproc>plotresults>2Dfluxlines在气隙和铜环附近的BSUM(总磁通密度)70第七十页，共八十页，编辑于2023年，星期日实数部分磁力线加载实数解结果.

Postproc>byloadstep选择OK71第七十一页，共八十页，编辑于2023年，星期日与电压激励同项的场量结果（实数解）在铜环和气隙区附近的BSUM72第七十二页，共八十页，编辑于2023年，星期日获取时间平均衔铁磁力Postproc>elec&magcalc>c