ansys电磁场培训课件

1-1第一章教程综述1-2ANSYS/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）（PulseWidthModulation)任意1-3利用轴对称衔铁和平面定子设计致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:solen3d.avi看动画1-4模拟过程概述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，剩余磁感应衔铁线圈锭子实体模型1-5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1-6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2.1-7应用:简单直流致动器问题描述2个实体园柱铁芯，中间被空气隙分开线圈中心点处于空气隙中心分析过程和目的为模拟建模进行模拟后处理电磁力磁场值切去一部分线圈便以看到极面间空隙2.1-8模拟由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(μr=1).衔铁线圈2.1-9性质柱体:μr=1000线圈:μr=1

匝数:2000 (整个线圈)空气:μr=1激励线圈励磁为直流电流:2安培单位(mm)衔铁Coil长度=35YX模型

轴对称材料号2材料号32.1-10建模设置电磁学预选项（过滤器）对各物理区定义单元类型定义材料性质对每个物理区定义实体模型铁芯线圈空气给各物理区赋材料属性加边界条件2.1-11设置预选过滤掉其它应用的菜单Mainmenu>preferences选择OK2.1-12定义所有物理区的单元类型为PLANE53

Preprocessor>Elementtype>Add/Edit/Delete选择Add选择磁矢量和8节点53号单元选择OK2.1-13模拟模型的轴对称形状选择Options（选项）Elementbehavior（单元行为）选择Axisymmetric（轴对称）选择OK2.1-14定义材料

Preprocessor>MaterialProps>Isotropic定义空气为1号材料(MURX=1)选择Apply(自动循环地定义下一个材料号）选择OK2.1-15定义衔铁为2号材料选择OK选择Apply(自动循环地选择下一个材料号）2.1-16定义线圈为3号材料(自由空间导磁率，MURX=1)选择OK选择OK(退出材料数据输入菜单）2.1-17建立衔铁面

Preprocessor>Create>Rectangle>ByDimensions选择Apply(重复显示和输入)建立线圈面选择Apply利用TAB键移动输入窗口2.1-18建立空气面选择OK到了这步，建立了全部平面，但它们还没有连接起来.衔铁线圈2.1-19用Overlap迫使全部平面连接在一起

Preprocessor>Operate>Overlap>Areas按PickAll现在这些平面被连接了，因此当生成单元时，各区域将共享区域边界上节点这种操作后，原先平面被删除，而新的平面被重新编号2.1-20这些平面要求与物理区和材料联系起来

Preprocessor>-Attributes-Define>PickedAreas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OK对于没有明确定义属性的面，其属性缺省为12.1-21这些平面要求与物理区和材料联系起来Preprocessor>-Attributes-Define>PickedAreas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OK2.1-22加通量平行边界条件

Preprocessor>loads>apply>-magnetic-boundary-flux-par’l选OnLines并选取相应的线选OK“所选取的线”“所选取的线”注：未划分单元前，加上这种边界条件2.1-23生成有限元网格利用智能尺寸选项来控制网格大小

Preprocessor>-Meshing-SizeCntrls>-smartsize-basic选择OK2.1-24Preproc>-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Utility>PlotCtrls>Numbering选择OK2.1-25力边界条件标志需要单元部件，即一组具有“名称”的单元把衔铁定义为一个单元组件选择衔铁平面Utility>select>entities用此选项在图形窗口中选择平面再次选择用APPLY一旦衔铁已选好，选择OK(在选取框内）2.1-26选择与已选平面相对应的单元选择OK

图示衔铁单元

Utility>plot>elements衔铁单元用“面”2.1-27使单元与衔铁组件联系起来

Utility>Select>Comp/Assembly>CreateComponent 选择OK2.1-28加力边界条件标志

Preprocessor>Loads>Apply>-Magnetic-Flag>CompForce 选择OK施加两个标志，用两个不同的方法来计算力Maxwell’s应力张量虚功即使只有一种选项，也要鼠标选取2.1-29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

Utility>Select>Everything缩放平面-不用拷贝

Preproc>operate>scale>areas选择OK2.1-30给线圈平面施加电流密度选择线圈平面Utility>Select>Entity选择OK(实体选择框)选择线圈平面选择OK(选取框内)2.1-31激励线圈要求电流密度，故要得到线圈截面积.Preprocessor>Operate>CalcGeometricItems>OfAreas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CAREAUtility>Parameter>GetScalarData选择OK2.1-32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）这相应于几何面积总和选择OK2.1-33把电流密度加到平面上

Preprocessor>Loads>Apply>Excitation>OnAreas(因为只激活了线圈平面，可在选取框内选择PickAll）选择OK2.1-34进行计算

Solu>-solve-electromagnet>Opt&Solve

选择OK这些适用于用BH数据来进行的分析，本题将忽略2.1-35生成磁力线圈

Postproc>plotresults>2Dfluxlines选择OK使用缺省设置，选择OK,（在通常情况下，可这样做）单元边缘围绕的一个红色输廓表示该区域为同类材料号2.1-36计算力

Postproc>Elec&MagCalc>Comp.Force

选择OK衔铁上力是在总体坐标系下表示的，此力的方向为使气隙缩小必须用鼠标选取2.2-37EMAG模拟的概念模型边界条件有: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AABB线圈(象征性的)铁芯空气2.2-38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（自然边界条件）:磁通量垂直于模型边界2.2-39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PoleFaceAAPreproc.>loads>apply>boundary>fluxpar’l>lines2.2-40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(象征性的)简单导磁体的半对称模型2.2-41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QuartersymmetrymodelofthesimplemagnetizerBB2.2-421/4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1/4对称模型BB2.2-43单元plane13andplane53用于模拟2D磁场Plane13:4节点四边形耦合场自由度：温度，结构，磁电源为Z方向B为线性变化适用于：Plane13变压器汇流排传感器线性或任意永磁系统螺线管磁体（致动器）直线或旋转电机负载机械机械力矩2.2-44plane53:8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2.2-45定义Plane13的单元类型和单元选项

Preproc>elementtype>add/ edit/delete选择ADD选择Plane13用单元类型号给平面赋属性选择OK2.2-46一旦定义单元类型，要选择单元选项单元选项控制:2D直流模拟为AZ自由度2D模拟型式轴对称平面点取单元选项2.2-47几何体型式用于直流模拟选择OK用于定义平面属性的参考号因为plane13用于耦合场模拟，故该单元可以具有应力/应变结构选项2.2-48

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

线圈两种情况都是施加正向电流铁板磁流密度矢量显示铁环轴对称:+Z电流方向进平面平面:+Z电流方向出平面2.2-49磁力线描述平面:AZ等值线轴对称:rAZ等值线电枢线圈定子平面或轴对称?平面或轴对称?2.2-50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）2.2-51定义Plane53的单元类型和选项Preproc.>elementtype>add/edit/delete选择Add选择8节点Plane53增加单元类型号以给平面赋属性选择OK2.2-52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plane53单元模拟运动导体示图选择OK2.2-53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

Preproc>realconstants...选择2.3-54求解模型的单位制:SI分析中使用的单位制为国际单位制: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ρ（欧姆-米）电压V（伏）电感L（亨）磁导率μr(亨/米）电容（法拉）2.3-55基本关系式:B=μH,其中μ=μrμ0μ可为单一值（线性）各相同性或正交各向异性

Preproc>materialprops>isotropic平面属性要求赋予材料质性号μr

相对磁导率2.3-56μ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.>materialprops>materiallibrary>librarypath通过指定路径可在其它位置得到材料数据2.3-57BH数据可用如下方式输入

Preproc>materialprops>materiallibrary>importlibrary选择材料选择材料属性选择OK2.3-58BH数据生成图形和列表显示表示在列表显示中的数据点号材料号2.3-59数据也可列成表格.这种表格也能人工制成

Utility>list>properties>datatables选择OK2.3-60BH曲线输入指南数据点(0,0)不要输入定义曲线弯曲处的数据点要密（见M54的数据点）BH曲线要避免生成S形通常M钢定义BH数据到8,000A/m数据需要外推这些曲线的μ值通常需要附加大量的数据以使得μ值由大逐渐变到最终斜率最终斜率为空气值(μ0)2.3-61BH数据输入应用实例: 400系列不锈钢输入如下数据

H(A/m)B(T)

790.0.771575.1.102365.1.307875.1.5015750.1.5631500.1.6347245.1.6678740.1.702.3-62首先定义数据表，然后把BH数据输入数据表中

Preproc>materialprops>datatables>define/activate平面属性要求赋予材料号选择OK2.3-63利用编辑激活表格输入BH数据

Preproc>materialprops>datatables>editactive输入数据后，用鼠标点取File>Apply/Quit图示:Preproc>materialprops>datatables>graph列表:Preproc>materialprops>datatables>list2.3-64实际求解需要用到dν/dB2

为避免粗劣的v=Yu条件曲线，

ν-B2应该是单调的。

Utility>plot>datatables>graphNUvs.B**22.3-65把该曲线数据放置在库内，以备将来使用。

Preproc.>materialprops>materiallibrary>exportmaterial选择文件名选取生成的BH数据的材料属性2.3-66应用实例:轴对称直流致动器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磁动势误差范数电流磁力线路径图示能量电感“气隙”(mm)“线圈”部件“衔铁”部件材料号5(同衔铁)2.3-67励磁

直流施加到线圈:3安培性质

衔铁/定子:上述BH曲线

线圈:300匝,26线径，μr=1

空气:μr=1单位:毫米(mm)2.3-68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)=0.404mm(在20摄氏度下)铜电阻率(ρ)=17.14E-9Ω-m（在20摄氏度下）匝数(N)=300线圈中径为8mm(Rmid)均匀填充圆线圈的电阻为：

R=16000NρRmid/Dw2

R=4.03Ω对于静态分析，12V电压相应的电流为2.98安，本分析采用3安。2.3-69参数化建模需要：

参数GAP必须定义

在命令行输入

gap=.5并回车

点取OK选择分网密度

Preproc>sizecntrl>basic2.3-70axis2s宏生成模型衔铁单元部件ARMATURE线圈面积参数ACOND线圈单元部件COIL在ANSYS命令窗口输入axis2s并回车，以建立模型2.3-71材料号1为空气完善边界条件 通量平行边界条件

Preproc>loads>apply>boundary>-fluxparl-lines选择模型边界上的所有线2.3-72如下方式定义材料号1（自由空间磁导率）

Preproc>materialprops>isotropic选择OK选择OK2.3-73给线圈平面加载线圈电流

Preproc>loads>apply>excitation>-currentdensity-areas选择线圈平面

选择OK2.3-74给衔铁加力边界条件标志

Preprocessor>Loads>Apply>-Magnetic-Flag>CompForce 选择OK用不同的方法计算力，故加载两种标志Maxwell应力张量虚功选择ARMATURE2.3-75选择所有几何和有限元实体进行模拟Solution>electromagnetic>opt&solve选择OK（采用缺省设置进行求解）请确认2.3-76磁力线

Postproc>plotresults>2Dfluxlines注意漏磁位置线圈区定子上角定子与衔铁交界位置2.3-77计算力

Postproc>elec&magcalc>comp.force轴对称模型只产生垂直方向力定义单元表项

FVW_Y虚功Y方向力

FMX_YMaxwell应力Y方向力环状模型力总和选择OK2.3-78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-材料属性为1

选择

Apply2)用Num/Pick从中选取邻近衔铁面空气单元用框选取2.3-79虚功方法计算垂直力并用等值图显示

Postproc>plotresults>elemtable在气隙中选取空气单元选择OK2.3-80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

Postproc>pathoperations>definepath>bynodes点取节点2给一个任意的名字增加沿路径的数据采样点的数量点取节点1选择OK2.3-81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比）路径由直线组成2.3-82单元表项FVW_Y中的力必须插值到路径上

Postproc>pathoperations>mapontopath任意名选择ETAB.FVW-Y选择OK2.3-83将FVW_Y沿路径显示

Postproc>pathoperations-plotpathitems-ongeometry路径图示迭加在几何体上已定义将路径显示图缩放到一个较好的程度选择OK2.3-84节点作用在衔铁上的垂直方向力的路径图示2.3-85离路径节点节点1的距离路径上的力(F_Y)也能打印输出

Postproc>pathoperations>listpathitems选择OK2.3-86线圈Lorentz力（JxB）选择线圈区域并定义为一个部件。

Utility>select>comp/assembly>selectcomp/assembly

选择线圈为Lorentz力定义单元表Postpro>elementtable>definetable选择2.3-87任意名作用于整个圆环上的X方向的Lorentz力选择

OK选择

Add2.3-88

线圈X方向Lorentz力的等值图

Postproc>elementtable>plotelemtable选择

OK2.3-89作用在线圈单元上的总力

Postpro>elementtable>sumofeachitem该操作作用于全部激活单元上相当于360°圆周上的受力

力单位为牛顿:N2.3-90根据节点磁场值差异估计误差，且作为单元表数据贮存

Postpro>mag&eleccalc>erroreval

B_ERR单位(T)H_ERR单位(Amps/m)BN_ERR和HN_ERR由最大值归一化2.3-91

BN_ERR能用磁力线图进行等值显示图示BN_ERR单元表项

Postpro>elementtable>plotelemtable选择OK激活NOERASE选择

Utility>plotcntrls>eraseoptions2.3-92图示磁力线

Postpro>plotresults>2Dfluxlines选择OK2.3-93线性和非线性材料的共能计算

Postpro>elec&magcalc>coenergy选择OK2.3-94也能计算贮能Postproc>elec&magcalc>energy注：铁的共能大约是贮能的8倍，表示铁的饱和效应所致2.3-95铁单元的磁导率能用等值图显示

Postpro>elementtable>选择ADDplane53单元在线帮助

选择OK这是绝对磁导率2.3-96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=12.57x10-7 Postpro>elementtable>additems用已有名字自由空间磁导率参数不需要第二个单元表项选择OK2.3-97用等值图显示相对磁导率MUR Postpro>elementtable>plotelemtable注意饱和区选择tOK2.3-98沿闭合线计算磁动势

MMF确保整个模型都被激活必须定义围绕线圈的路径

Postpro>elec&magcalc>definepath>bynodes选取如图所示的7个节点，可从任一节点开始路径的最终节点应与起始节点是同一个跨越空气隙时，气隙两边的铁边界上各选取一个节点2.3-99完成路径定义由于铁与空气的界面处H值不连续，故应增加采样点的数目选择OK2.3-100绕闭合回线计算MMFPostpro>elec&magcalc>MMF

选择OKMMF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（对于轴对称模型，正电流方向为进行平面方向）2.3-101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1选取节点2MMF=-384A-t2.3-102输入的总安匝数为900，铁芯的中间部位有384安匝，也就是空气隙中只有519安匝（忽略其余铁芯中的磁动势）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，电磁力至少会增加2倍。可用另一种方法显示这一点：将铁芯的磁导率设为1000，进行线性求解评述

2.3-103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

Postpro>elec&magcalc>current选择OK2.4-104永磁体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μr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固有曲线感应曲线第二象限曲线图稀土磁体典型曲线2.4-105μr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μr和Hc的缺省值。现代技术的进步使磁体性能不断提高年代2.4-106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μr=Br/(μ0Hc)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：Utility>parameters>angularunits选择OK在输入窗口中输入HC*COS(60)来代替数值输入2.4-107各向同性单元坐标系缺省为总体直角坐标系

Preproc>materialprops>isotropic材料2磁化方向平行于总体坐标+X方向Br=1THc=700,000A/m空气选择OK选择

OK2.4-108正交各向异性单元坐标系缺省为总体直角坐标系

Preproc>materialprops>orthotropic材料2磁化方向为总体坐标+X方向反时针旋转60度Br=1Hc=700,000A/m选择

OK选择

OK2.4-109Hc值仍然为700,000A/mHc是在总体直角坐标下表示的由于模型对称，B的最大值不变材料22.4-110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SN应用——永磁体SN磁极中心（象征性的）