ansys电磁场仿真分析教程.ppt

1、1-1,目录,第一章 电磁场仿真简介. . . . . 第二章 二维静态分析 第1节. 第2节. 第3节. 第4节. 第5节. 第三章 二维谐波和瞬态分析 第1节. 第2节. 第四章 三维电磁场分析 第1节. 第2节. 第3节. 第4节. 第5节. 第五章 耦合场分析概况.,1-4 2.1-1 2.2-1 2.3-1 2.4-1 2.5-1 3.1-1 3.2-1 4.1-1 4.2-1 4.3-1 4.4-1 4.5-1 5-1,1-2,第一章,教程综述,1-3,ANSYS/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

2、瞬态 阶跃电压 PWM(脉宽调制） （Pulse Width Modulation) 任意,1-4,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,1-5,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,1-6,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

3、 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,1-7,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,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 (r = 1) .,衔铁,线圈,1-9,性质 柱体: r = 1000 线圈: r = 1 匝数: 2000 (整个线圈) 空气: r = 1,激励 线圈励磁为直流电流: 2 安培,单位 (mm),衔铁,Coil,长度=35,Y,X,模型 轴对称,材料

4、号 2,材料号3,1-10,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,1-11,设置预选过滤掉其它应用的菜单 Main menupreferences,选择OK,1-12,定义所有物理区的单元类型为 PLANE53 PreprocessorElement typeAdd/Edit/Delete 选择 Add 选择磁矢量和8节点53号单元 选择 OK,1-13,模拟模型的轴对称形状 选择Options（选项） Element behavior（单元行为） 选择 Axisymmetric（轴

5、对称） 选择OK,1-14,定义材料 PreprocessorMaterial PropsIsotropic,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OK,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）,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）,1-17,建立衔铁面 PreprocessorCreateRectangleBy Dimensions,选择Apply (重复显示和输入) 建立线圈面,选择 Apply,利用TAB 键移

6、动输入窗口,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,1-19,用Overlap迫使全部平面连接在一起 PreprocessorOperate OverlapAreas 按Pick All,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,1-20,这些平面要求与物理区和材料联系起来 Preprocessor-Attributes-DefinePicked Areas 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

7、性缺省为1,1-21,这些平面要求与物理区和材料联系起来 Preprocessor-Attributes-DefinePicked Areas 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 OK,1-22,加通量平行边界条件 Preprocessorloadsapply-magnetic-boundary-flux-parl 选On Lines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,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-Size Cntrls-smartsize

8、-basic,选择OK,1-24,Preproc-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 UtilityPlotCtrlsNumbering,选择 OK,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 Utilityselectentities,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）,1-26,选择与已选平面相对应的单元,选择 OK 图示衔铁单元 Utilityplotelements,衔铁单元,用“面”,1-27,使单

9、元与衔铁组件联系起来 UtilitySelectComp/AssemblyCreate Component,选择 OK,1-28,加力边界条件标志 PreprocessorLoadsApply-Magnetic-FlagComp Force,选择OK,施加两个标志，用两个不同的方法来计算力 Maxwells 应力张量 虚功,即使只有一种选项，也要鼠标选取,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 UtilitySelectEverything 缩放平面-不用拷贝 Preprocoperatescaleareas,选择 OK,1-30

10、,给线圈平面施加电流密度 选择线圈平面 UtilitySelectEntity,选择OK ( 实体选择框) 选择线圈平面 选择 OK (选取框内),1-31,激励线圈要求电流密度，故要得到线圈截面积. PreprocessorOperateCalc Geometric ItemsOf Areas 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CAREA UtilityParameterGet Scalar Data,选择 OK,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 OK,1-33,把电流密度加到平面上 Prepr

11、ocessorLoadsApplyExcitationOn Areas (因为只激活了线圈平面，可在选取框内选择Pick All）,选择 OK,1-34,进行计算 Solu-solve-electromagnetOpt & Solve,选择OK,这些适用于用BH 数据来进行的分析，本题将忽略,1-35,生成磁力线圈 Postprocplot results2D flux lines 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,1-36,计算力 PostprocElec&Mag CalcComp. Force,选择 OK,衔

12、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,1-37,显示总磁通密度值 (BSUM) PostprocPlot ResultsNodal Solution,选择 OK,1-38,第二章第2节,二维静磁学,1-39,EMAG 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,A,A,B,B,线圈 (象征性的),铁芯,空气,1-40,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

13、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,1-41,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,B,B,（1/2）对称模型,Pole Face,A,A,Preproc.loadsapplyboundaryflux par

14、llines,1-42,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,1-43,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,Quarter symmetry model of the simple magnetizer,B,B,1-44,1/4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

15、的Lorentz力 1/2 作用在极面上力为1/2,励磁体1/4对称模型,B,B,1-45,单元plane13 and plane53 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,1-46,plane53: 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,1-47,定义

16、Plane13的单元类型和单元选项 Preprocelement type add/ edit/delete 选择ADD 选择Plane13,用单元类型号给平面赋属性,选择OK,1-48,一旦定义单元类型，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,1-49,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,1-50,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

17、示,铁环,轴对称: +Z 电流方向进平面,平面: +Z 电流方向出平面,1-51,磁力线描述 平面: AZ等值线 轴对称: r AZ 等值线,电枢,线圈,定子,平面或 轴对称 ?,平面或 轴对称 ?,1-52,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）,1-53,定义Plane53的单元类型和选项 Preproc.element typeadd/ 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 OK,1-54,定义单元类型后选择单元选项 单元选项控

18、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OK,1-55,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 Preprocreal constants.,选择,1-56,平面属性要求实常数设置号,速度单位: 米/秒 角速度单位: 弧度/秒,选择 OK,平面属性要求赋予单元类型号数,1-57,第二章 第 3节,2-D静磁学,1-58,求解模型的单位制 : SI,分析中使用的单位制为国际单位制: S I,力 (牛顿） 能量(焦耳 ） 功率（瓦） 长度（米） 时间（秒） 质

19、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 （欧姆-米） 电压V（伏） 电感L（亨） 磁导率r (亨/米） 电容（法拉）,1-59,基本关系式: B= H, 其中 = r 0 可为单一值（线性） 各相同性或正交各向异性 Preprocmaterial propsisotropic,平面属性要求赋予材料质性号,r 相对磁导率,1-60,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.material propsmaterial librarylibrar

20、y path,通过指定路径可在其它位置得到材料数据,1-61,BH 数据可用如下方式输入 Preprocmaterial propsmaterial libraryimport library,选择材料,选择材料属性,选择 OK,1-62,BH 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,1-63,数据也可列成表格. 这种表格也能人工制成 Utilitylistpropertiesdata tables,选择OK,1-64,BH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8,000 A/

21、m 数据需要外推 这些曲线的值通常需要附加大量的数据以使得值由大逐渐变到最终斜率 最终斜率为空气值(0),1-65,BH 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. 0.77 1575. 1.10 2365. 1.30 7875. 1.50 15750. 1.56 31500. 1.63 47245. 1.66 78740. 1.70,1-66,首先定义数据表，然后把BH数据输入数据表中 Preproc material propsdata tablesdefine/activate,平面属性要求赋予材料号,选择OK,1-67,利用编辑激活表格输入BH

22、数据 Preproc material propsdata tablesedit active,输入数据后，用鼠标点取 FileApply/Quit 图示: Preprocmaterial propsdata tablesgraph 列表: Preprocmaterial propsdata tableslist,1-68,实际求解需要用到 d/ dB2 为避免粗劣的v=Yu 条件曲线， - B2 应该是单调的。 Utilityplotdata tablesgraph NU vs. B*2,1-69,把该曲线数据放置在库内 ，以备将来使用。 Preproc.material propsmate

23、rial libraryexport material,选择文件名,选取生成的BH 数据的材料属性,1-70,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),1-71,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，r = 1 空气: r = 1,单位: 毫米(mm),1-72,对于大多数应用，通常指定电

24、压，线圈电流是算出来的. 26线规直径 (Dw )= 0 .404 mm (在20摄氏度下) 铜电阻率 () = 17.14 E-9 - m（在20摄氏度下） 匝数 (N) = 300 线圈中径为8 mm (Rmid) 均匀填充圆线圈的电阻为： R = 16000 N Rmid / Dw2 R = 4.03 对于静态分析，12 V 电压相应的电流为2.98安，本分析采用3安。,1-73,参数化建模需要： 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 Preprocsize cntrlbasic,1-74,axis2s宏生成模型 衔铁单元部件ARMATURE 线

25、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,1-75,材料号 1为空气 完善边界条件 通量平行边界条件 Preprocloadsapplyboundary-flux par l-lines 选择模型边界上的所有线,1-76,如下方式定义材料号 1（自由空间磁导率） Preprocmaterial propsisotropic,选择OK,选择OK,1-77,给线圈平面加载线圈电流 Preprocloadsapply excitation-current density-areas 选择线圈平面,选择 OK,1-78,给衔铁加力边界条件标志

26、 PreprocessorLoadsApply-Magnetic-FlagComp Force,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 ARMATURE,1-79,选择所有几何和有限元实体 进行模拟 Solutionelectromagneticopt&solve 选择 OK（采用缺省设置进行求解）,请确认,1-80,磁力线 Postprocplot results2D flux lines 注意漏磁位置 线圈区 定子上角 定子与衔铁交界位置,1-81,计算力 Postprocelec&mag calccomp.force,轴对称模型只产生垂直方向

27、力 定义单元表项 FVW_Y 虚功Y方向力 FMX_Y Maxwell应力Y方向力 环状模型力总和,选择 OK,1-82,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 Apply,2) 用 Num/Pick从中选取邻近衔铁面空气单元,用框选取,1-83,虚功方法计算垂直力并用等值图显示 Postprocplot resultselem table,在气隙中选取空气单元,选择OK,1-84,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 Postprocpath operationsdefine pathby n

28、odes,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 OK,1-85,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,1-86,单元表项FVW_Y 中的力必须插值到路径上 Postprocpath operationsmap onto path,任意名,选择 ETAB.FVW-Y,选择OK,1-87,将FVW_Y沿路径显示 Postprocpath operations -plot path items- on geometry,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 O

29、K,1-88,节点,作用在衔铁上的垂直方向力的路径图示,1-89,离路径节点节点1的距离,路径上的力(F_Y) 也能打印输出 Postprocpath operationslist path items,选择OK,1-90,线圈Lorentz力（J x B） 选择线圈区域并定义为一个部件。 Utilityselectcomp/assemblyselect comp/assembly 选择线圈 为Lorentz 力定义单元表 Postproelement tabledefine table,选择,1-91,任意名,作用于整个圆环上的 X 方向的Lorentz 力,选择 OK,选择 Add,1-9

30、2,线圈X方向 Lorentz 力的等值图 Postprocelement tableplot elem table,选择 OK,1-93,作用在线圈单元上的总力 Postproelement tablesum of each item,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: N,1-94,根据节点磁场值差异估计误差，且作为单元表数据贮存 Postpromag&elec calc error eval,B_ERR 单位 (T) H_ERR 单位 (Amps/m) BN_ERR 和HN_ERR 由最大值归一化,1-95,BN_ERR 能用磁力线图进行等值显示 图示

31、BN_ERR单元表项 Postproelement tableplot elem table,选择 OK 激活NOERASE 选择 Utilityplot cntrlserase options,1-96,图示磁力线 Postproplot results2D flux lines 选择OK,1-97,线性和非线性材料的共能计算 Postproelec&mag calccoenergy 选择OK,1-98,也能计算贮能 Postprocelec&mag calcenergy,注：铁的共能大约是贮能的8倍，表示铁的饱和效应所致,1-99,铁单元的磁导率能用等值图显示 Postproelement

32、 table 选择ADD,plane53 单元在线帮助,选择 OK 这是绝对磁导率,1-100,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 Postproelement tableadd items,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OK,1-101,用等值图显示相对磁导率MUR Postproelement tableplot elem table,注意饱和区,选择t OK,1-102,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 Postproelec&mag calcdefine

33、 pathby nodes,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,1-103,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OK,1-104,绕闭合回线计算MMF Postproelec&mag calcMMF 选择 OK,MMF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）,1-105,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2,MMF = -384 A-t,1-106,输入的总

34、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,1-107,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 Postproelec&mag calccurrent 选择OK,1-108,对于线性系统: Postproelec&mag calcTerminal par 对于非线性系统一两种理论选项 割

35、线定义 增量定义 简易割线计算 利用共能 (C) ， L = 2 Ci2 ， 仿照电机计算 更精确的方法: LMATRIX 宏 Solumagneticinductance 见帮助文档中的说明和实例,电感计算,1-109,第二章第4节,二维静磁学,1-110,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 r 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),Br,Hc,固有曲线,感应曲线,第二象限曲线图,稀土磁体典型曲线,1-111,r 和Hc 可以

36、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r 和 Hc的缺省值。 现代技术的进步使磁体性能不断提高,年代,1-112,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,r = Br /(0 Hc),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： Utilityparametersangular units,选择 O

37、K 在输入窗口中输入HC*COS(60) 来代替数值输入,1-113,各向同性 单元坐标系缺省为总体直角坐标系 Preprocmaterial propsisotropic,材料 2,磁化方向平行于总体坐标+ X 方向 Br = 1T Hc=700,000 A/m,空气,选择 OK,选择 OK,1-114,正交各向异性 单元坐标系缺省为总体直角坐标系 Preprocmaterial propsorthotropic,材料 2 磁化方向为总体坐标+X 方向反时针旋转60 度 Br=1 Hc=700,000 A/m,选择 OK,选择 OK,1-115,Hc值仍然为700,000 A/m Hc是在总

38、体直角坐标下表示的 由于模型对称， B的最大值不变,材料 2,1-116,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,S,N,应用永磁体,S,N,磁极中心（象征性的）,1-117,属性 磁体: Hc = 50,000 A/m Br = 850 Gauss 尺寸: 内径 = .5 cm 外径 = 1 cm 励磁: 没有,永磁体,1-118,对称条件 只需模拟一个磁极 边界条件 侧边: 通量平行 外半径: 通量垂直 为了确定外半径上的磁极中心，需要定义一个局部坐标系，该局部坐标系的X轴为总体X轴反时针旋转45度,通量平行条件,磁极中心,

39、1-119,输入cir1pole.mac宏建立模型 定义材料2的磁体性质 Preprocmaterial propsorthotropic,材料 2,材料 1,选择 OK,1-120,输入Y方向磁体属性（柱坐标系的切线方向，该坐标系待后定义）,选择OK,选择OK 输入空气的各向同性磁导率（材料1） Preproc.material propsisotropic,选择OK,1-121,在外半径上离总体坐标系+X 轴45度处，定义局部坐标11 Utilityworkplanelocal coord. systemscreate local CSat specified loc,在ANSYS输入窗口

40、中，利用外半径0.01，角度45，输入局部坐标系原点位置坐标 回车（键盘） 在建立局部坐标系框内选择OK,1-122,定义了局部坐标系11后，在单元图上会显示其标志,11号局部极坐标系，其与磁极中心相对应,1-123,输入11以标志该坐标系,选择坐标系的类型,在命令行输入的参数表达式的结果,选择 OK,1-124,磁体单元的单元坐标系(ESYS) 属性相应于11号局部坐标系 改变单元坐标系 通过材料属性(2)选择磁体单元 Utilityselectentitieselementsby attributesmaterial 2 Preprocmove/modifymodify attrib 在选

41、择框内选择“Pick All”,选择 OK,1-125,在模型侧边施加通量平行边界条件. Preprocloadsapplyboundary-flux parl-on lines 进行求解 Soluelectromagneticopt&solv,1-126,图形显示磁力线 观察通量平行边界条件 在磁体平面内磁力线呈圆形性质 由于磁体磁导率低而产生漏磁,1-127,利用磁通密度的矢量图能观察场量的大小和方向,选择 OK,1-128,磁通密度B的方向相应于MGYY和11号坐标系正切向,1-129,磁体非线性感应曲线也能用于模拟. MGXX, MGYY 视为线性磁体输入 感应曲线用与非永磁体材料相同

42、的方法输入 感应曲线的输入值被偏置一个Hc 值,Br (T),B (T),Hc (Amp/m),H (Amp/m),1-130,Hc = 50,400 (Amp/m) 单位: H(Amp/m) & B (T),ALNICO 5 系列材料实例,输入数据的BH曲线,1-131,最后数据点所对应的H值应于比Hc大 最末斜率接近于自由空间的磁导率 第一个数据点并不是原点（即（0，0）点不需要输入）,观察结果,1-132,第二章 第5节,二维静磁学,1-133,耦合和约束方程,应用 问题描述 平面磁性离合器 六极装置 平行磁化 分析目的 利用奇对称周期性条件来模拟1/6模型 计算图示状态的力矩,定子,磁

43、性离合器,转子,1-134,性质 定子和转子磁体: Hc = 750,000 A/m Br = .9896 (r=1.05) 定子和转子磁体 SA1010 转子磁化方向 (水平方向反时针30度） 定子磁化方向：水平 模型参数 半径单位(R) : 英寸 励磁: 无,磁离合器1/12模型,转子铁，材料 2,转子磁体，材料 3,定子磁体，材料 6,定子铁，材料 5,(上面只显示了一半模型),1-135,利用clutch.mac宏命令建模 实体模型和单元（国际单位制） SA1010系列铁 将定子磁体单元和铁单元定义为一个部件S_IRON 每个转子磁体各有一个单元坐标系,材料号,该磁体单元的X方向为11

44、号局部坐标系的X方向,该磁体单元的X 方向为12号局部坐标系的X方向,1-136,对材料2和3定义为各向同性磁体性质 Preproc.material propsisotropic,重复这些步骤，定义定子磁体材料3,选择 OK,选择OK,1-137,为转子磁体平行磁化方向定义11号局部坐标系 水平方向反时针30度（总体坐标+X 轴） 局部坐标系原点与总体坐标系一致 Utilityworkplanelocal coord. systemscreate local CSat specified location,回车（键盘） 在选择框选取OK,1-138,11号局部坐标系的X轴与总体坐标系X轴的夹

45、角,选取OK,1-139,采用与前面相同的方法为下面转子磁体建立12号局部坐标系,下面转子磁体是-30, 但方向相反 (180 ),选择OK,0,-30+180,1-140,为了观察单元坐标系的变化，要激活单元坐标系标记 Utilityplot cntrlssymbols,选择 OK,“白”“绿”坐标轴分别相应于单元轴的X、Y方向,1-141,给定子外半径加上通量平行条件 Preprocloadsapplyboundary-flux par lon lines (选择定子铁体外半径上弧线) 通过强迫内半径上节点的MVP保持常数，在转子铁体内半径上施加通量平行边界条件 选择转子内半径上节点 对内

46、半径上节点进行耦合 Preproccouple DOFs （在选择框选择pick ALL ),选择OK,1-142,激活总体坐标系 Utilityworkplanechange active CSglobal CS 识别模型内外半径位置 关键点 9 : 模型内半径上 关键点19 : 模型外 半径上,1-143,周期性边界条件必须施加到离合器两侧 Preprocloadsboundary periodic BCs,选择OK,用关键点函数功能得到内外半径的值,选择OK,模型另一侧边的位置,1-144,磁离合器1/6模型边界条件,耦合使内半径满足通量平行条件,各自的约束方程保证了奇对称条件,强制约束

47、使外半径满足通量平行条件,1-145,利用求解时贮存的单元数据来计算力矩，故必须设置力矩计算标志 Preprocloadsapplyflagcomp. Force/torq (利用宏命令定义的 S_IRON 组件),施加相应的表面标志以计算力/力矩,(只图示模型上半部分）,1-146,求解计算 Soluelectromagnetopt&solv,磁力线图,1-147,计算力矩 Postprocelect&mag calccomp. Torque (选择 S_IRON 组件),力矩作用于定子 注意：力矩单位为单位长度牛米,1-148,利用Maxwell应力张量方法由路径计算也能计算力矩 Post

48、proelec&mag calccircular torq,计算力矩时的圆形路径半径,选择 OK,1-149,力矩作用在转子上使定子和转子磁极成一直线排列,力矩计算路径,1-150,模拟有许多磁极的电机，周期性边界条件非常有用 右图显示的是一个10极永磁电机 模拟转子的运动。当转子转动时，电流会变化。 定子槽内显示电流密度 本模型也允许转子和定子相互独立 观看动画，可执行动画文件: mach2d.avi,定子,转子,1-151,约束方程不相同网格,应用,问题描述 轴对称致动器 分析目的 计算衔铁在任意垂直位置时的电磁力,线圈,定子,衔铁,1-152,性质 定子/衔铁：铁介质 r = 1000

49、线圈: 空气磁导率 空气: 空气磁导率 励磁 4000 安匝,衔铁运动方向,衔铁材料 4,定子材料 4,线圈材料 3,1-153,输入宏命令mv_arm.mac建立模型 实体模型和单元（SI 单位制） 磁化率 = 1000 衔铁单元组件A_IRON 衔铁单元和节点组件ARMATURE 线圈为4000安匝,模型在此线上不相连,1-154,连接不相同网格需要有： 网格较细的一边的节点 另一边的单元 将定子一侧边界上的节点建立组件. 选择定子模型边界上线段 选择STATOR组件 再选择边界上线段 选择所选线段上的全部节点 建立单节点组件CE_N,定子内半径全部节点,1-155,选择衔铁组件ARMAT

50、URE 选择节点组件 CE_N 应用约束方程生成器 Preproccoupling/ceqnadjacent regions,选择 OK,1-156,节点上施加通量平行条件，但不包括约束方程所含节点 激活全部单元 选择外部节点 不选约束方程中节点 （最大约束方程数为1000） Preproc.loadsapplyboundary flux -parl- on nodes (选择pick all）,生成约束方程,1-157,对衔铁施加力边界条件标志 PreprocessorLoadsApply-Magnetic-FlagComp Force,选择 OK,产生运动后，衔铁力标志仍然有效,1-158

51、,执行求解 全部激活 Soluelectromagnetopt&solve 图示磁通密度 Postprocplot resultsnodal solution 弱场显示有严重漏磁 注：磁力线和磁通密度在边界上连续,BSUM (T),磁通密度和磁力线迭加显示,1-159,利用求解时所得力求和而得到垂直力 Postproelec&mag calccomp. Force (应用 A_IRON组件),作用在衔铁上的力迫使衔铁向下运动,1-160,利用move/modify 菜单使与衔铁相关的平面向下运动 选择 ARMATURE组件 Preprocmove/modifyareas (选择pick ALL

52、),衔铁向下运动距离,选择 OK,1-161,衔铁需要与定子重新相关联 首先删除已存在的约束方程 Preproccouple/ceqndel constr eqn,选择 OK 与前面一样重新设置衔铁的关联 对除有约束方程的节点外的所有外部节点重新施加平行条件 执行求解,1-162,BSUM (T),显示磁通密度和磁力线迭加图 由于衔铁位置改变，磁力线随着变化 定子内最大磁密BSUM增大 模型交界处磁场连续,1-163,利用下面菜单求得垂直力 Postproelec&mag calccomp. Forces (应用 A_IRON 组件）,1-164,将执行单个求解的命令放在用APDL做的do循环

53、中，就可以执行一系列求解，如动画所示 观察动画，执行动画文件: mv_arm.avi,1-165,第三章第1节,2-D交流和瞬态分析,1-166,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),1-167,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,1-168,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: 1E6 A/m2 频率: 100Hz,导电杆,1-169,二种求解结果: 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,1

54、-170,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,1-171,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,1-172,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,1-173,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),1-174,集肤效应是由Amps 定律和Faradays定律耦

55、合而产生 无源、半平面导体电场每隔如下厚度衰减1/ e： = ( f) -1/2 (m) 式中 = 磁导率 = r 0 = 电导率= 1 / =电阻率 (Ohm-m) f = 频率(Hz),1-175,导电杆取下列数据:, = 100 0 0 = 1.2566E-6 (H/m) = 2E-7 (Ohm-m) f = 100 (Hz) 代入, =(3.1415)(100)(1.2566E-6)(.5E+7)(100) -1/2 =.0023 m =2.3 mm 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) 。,1-176

56、,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,1-177,(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,1-178,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,1-179,BSUM (T),MX,电流密度幅值 (A/m2),MX,导电杆,在

57、绞线圈内的圆柱形导电杆上能观察到涡流效应,1-180,(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,1-181,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,1-182,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,1-183,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,1-184,如何模拟叠片铁芯 ? 叠片允

58、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。,1-185,迭片平行于磁通: eff = S (r - 1 ) + 1 式中 r = 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,1-186,迭片垂直于磁通: eff = r / r - S (r - 1 ) 式中 r = 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,1-187,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