NSYS电磁场分析指南 第九章 3-D静态、谐波和瞬态分析(节点法.doc

第九章3-D静态、谐波和瞬态分析（节点法）9.1节点法（MPV）进行3D静态磁场分析3-D节点法磁场分析的具体步骤与2-D静态分析类似，选择GUI参数路径Main MenuPreferences Magnetic-Nodal，便于使用相应的单元和加载。与2-D静态分析同样的方式定义物理环境，但要注意下面讨论的存在区别的地方。9.1.1 选择单元类型和定义实常数对于节点法3 D静磁分析，可选的单元为3D 矢量位SOLID97单元，与2D单元不同。自由度为：AX,AY,AZ。3D矢量位方程中，用INFIN111远场单元（AX、AY、AZ三个自由度）来为无限边界建模。9.1.1.1定义实常数对于载压和载流绞线圈（只有SOLID97单元），必须定义如下实常数：线圈横截面积(CARE)该常数表示绞线圈的实际物理横截面积，无论是否采用对称性建模。程序假定在线圈的长度方向上横截面积是不变的。线圈总匝数(TURN)线圈总匝数，无论是否采用对称性建模。线圈的模型体积(VOLU)有限元线圈区的实际体积，而不是整个线圈的总体积。电流的方向矢量(DIRX, DIRY, DIRZ)通过矢量的各个分量描述电流方向。对于一般单元，电流的约束方向为(DIRX, DIRY, DIRZ) = (1,0,0).下面图1（b）中列举了绞线型导体的90度圆弧，可按照如下方法说明THETA方向电流：（1）说明柱状单元坐标系命令：ESYSGUI：Main MenuPreprocessor-Modeling-CreateElementElem Attributes（2）修正单元以继承新的坐标系命令：EMODIFGUI：MainMenuPreprocessor-Modeling-Move/Modify- Elements-Modify Attrib（3）设置电流方向为 (DIRX,DIRY,DIRZ)=(0,1,0)。对称系数(CSYM)CSYM（对称系数）*VOLU（有限元体积）就是整个线圈的总体积。填充系数(FILL)在线圈横截面中导体所占的比例，可用以调整线圈阻抗。9.1.1.2 速度效应可求解运动物体在特定情况下的电磁场，2-D静磁分析讨论了运动体的应用和限制，在3-D中，只有SOLID97单元类型能通过设置单元KEYOPT选项来考虑速度效应。9.1.2 定义分析类型用与2D静态磁场分析相同的方式定义3D静态磁场分析，即，可以通过菜单路径Main MenuSolutionNew Analysis、或者用命令ANTYPE,STATIC,NEW来定义一个新的静态磁场分析；或者用ANTYPE,STATIC,REST 命令来重启动一个3-D分析。如果使用了速度效应，不能在3D静态分析(ANTYPE,STATIC)中直接求解具有速度效应的静态直流激励场，而要用具有很低频率的时谐分析(ANTYPE,HARMIC)来完成。9.1.3 选择方程求解器命令：EQSLVGUI：Main MenuSolutionAnalysis Options3D模型建议使用JCG或PCG法进行求解。而对于载压模型、载流模型、或有速度效应的具有非对称矩阵的模型，只能使用波前法、JCG法、或ICCG法求解。电路激励模型只能用稀疏矩阵法或波前法求解器。9.1.4 加载和求解进入求解器：命令：/SOLU GUI：Main MenuSolution3-D 静态MVP分析的载荷与2-D静态分析稍有些不同，但其菜单路径是一样的。下面是关于3-D静态磁场分析的一些加载：9.1.4.1磁矢量势该载荷用以定义磁力线垂直、磁力线平行、远场、周期边界条件、以及强加外磁场等载荷和边界条件，下表描述了各种边界条件相应的磁矢量势值：边界条件AX,AY,AZ值磁力线垂直用DSYM,asym命令使A的垂直分量为0.GUI:Main MenuSolution-Loads-Apply-Magnetic-Boundary-Vector Poten-Flux Normal-On Nodes.磁力线平行令A的面内的分量为0.远场用单元INFIN111.远场为零AX=AY=AZ=0.周期性命令：CE或CPGUI: Main MenuPreprocessorCoupling/CeqnConstraint EqnMain MenuPreprocessorCoupling/CeqnCouple DOFs外加磁场A(X,Y,Z)不等于0.如果用INFIN111号单元表示模型无限远边界，则不用定义远场为0的边界条件。用CE或CP命令或者相应的等效路径施加周期性或者循环对称条件。对于外加磁场，定义不为0的各个分量AX，AY，AZ。9.1.4.2力标志给单元组件加Maxwell表面和虚位移标志可参见第二章中的说明。9.1.4.3 电压降（VLTG）用这些载荷定义绞线圈电压降。在MKS单位制中，VLTG单位是伏特，电压降载荷只对使用了AX，AY，AZ，CURR自由度的SOLID97单元有效。要得到正确的解，必须藕合导体所有节点的CURR自由度。9.1.4.4电流段（CSG（X，Y，Z）电流段加节点电流载荷，在MKS制中，电流段单位为安培-米。9.1.4.5Maxwell表面（MXWF）见第二章中的说明。9.1.4.6源电流密度（JS）加电流到源导体，在MKS制中，电流密度JS单位为安/米2。由于电磁分析的连续方程必须满足，所以此处施加的源电流密度必须是无散度的，这一点必须得到保证，如果有误，则SOLID97单元会解算出错误结果，并且不给出任何警告信息！在某些情况下，源电流密度的幅值和方向都是恒定的，自然满足无散度条件，此时就可用下面描述的BFE命令施加电流。在其它很多复杂情况下，源电流密度的分布事先是不知道的，此时就需要先执行一个静态电流传导分析（见第13章），一旦确定下电流，就可以用LDREAD命令将其读入磁场分析中。9.1.4.7磁虚位移见第二章中的说明。9.1.5备份数据用工具条中的SAVE_DB按钮来备份数据库，如果计算机出错，可以方便的恢复需要的模型数据。恢复模型时，用下面的命令：命令：RESUMEGUI:Utility MenuFileResume Jobname.db9.1.6求解对非线性分析，求解分为二步：1.将载荷以斜坡加载的方式加到3到5个子步上去，每个子步用一次平衡迭代；2.在一个子步中求得最终解，这个子步需10次平衡迭代。通过下面的命令完成：命令：MAGSOLV（将OPT域设为零）GUI：Main MenuSolution-Solve-Electromagnet-Static Analysis-Opt &Solv9.1.7完成求解离开求解器：命令：FINISHGUI:Main MenuFinish9.1.8 计算电感矩阵和磁链使用LMATRIX宏命令可以计算线圈系统的微分电感矩阵和每个线圈的总磁链:命令：LMATRIXGUI：Main MenuSolution-Solve-Electromagnet-Static Analysis-InductMatrix计算电感矩阵需要几个步骤，首先将线圈单元定义为部件，定义名义电流，然后在工作点执行一次名义求解，第11章有详细介绍。9.2 后处理ANSYS和ANSYS/Emag程序将3D静态磁场分析的数据结果写入到Jobname.RMG文件中，结果数据包括：主数据：节点自由度（AX,AY,AZ,CURR）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）节点磁力（FMAG: X,Y分量和SUM）节点感生电流段（CSGX,CSGY,CSGZ）单元源电流密度（JSX,JSY,JSZ）单位体积生成的焦耳热（JHEAT）等等。进入通用后处理器/POST1，进行下列后处理操作：命令：/POST1GUI: Main MenuGeneral Postproc9.2.1 从结果文件中读入数据9.2.1.1通量线3-D矢量分析得不到通量线(磁力线)，但可利用磁通密度矢量显示来观察通量路径。9.2.1.2等值图显示、矢量显示、列表显示、电磁力详见第二章。9.2.1.3带电粒子示踪在ANSYS基本过程指南的第5章和第12章中还详细介绍了怎样以图形的方式显示带电粒子在磁场中的轨迹9.2.1.4线圈电组和电感对于载压和载流线圈，可以计算线圈电阻和电感。每个单元都存储有电阻和电感值，对这些值求和就得到导体模型区的总电阻和总电感。这通过单元表来实现，先选择导体单元，再用ETABLE, tablename, NMISC, n命令或它的等效菜单路径（n=16为电阻，17为电感），最后用SSUM命令或它的等效菜单路径对这些数据进行求和。对于载压线圈（SOLID97的KEYOPT(1)=2）或电路耦合线圈（SOLID97的KEYOPT(1)=3）所计算的电感值仅在下列情况有效：线性问题（导磁率为常数）；模型没有永磁体；模型只有一个线圈。由多线圈组成的系统采用LMATRIX宏来计算微分电感矩阵和每个线圈的总磁链。LMATRIX宏的详情参见11章。9.2.2计算其它选项可以从后处理数据中计算许多其它感兴趣的项（例如总力、力矩、源输入能、电感、磁链和端电压）。ANSYS为这些计算提供了如下宏命令：EMAGERR宏：计算静电场或电磁场分析中的相对误差。FLUXV宏：计算通过一条封闭曲线的通量。FMAGSUM宏：对单元组件上电磁力求和。MMF宏：计算沿一条路径的磁动势。SENERGY宏：确定存储的磁能或共能。这些宏更详细讨论见第十一章“磁宏”9.3 节点法（MPV）3D谐波磁场分析像ANSYS分析的其他类型一样，谐波磁分析要定义物理环境、建模、加载和求解、然后观察结果。3 -D谐波磁分析的大部分过程都与2 -D谐波分析过程类似。9.4建立3 -D谐波磁分析的物理环境除了以下将要描述的内容外，节点法3-D谐波分析的过程与第二章内所描述的过程类似。节点法3 -D谐波分析使用SOLID62、SOLID97和CIRCU124单元。在ANSYS基本分析过程指南和ANSYS建模和分网指南中对模型的建立有详细的介绍。当你定义材料性质时，通常使用在第2章中所讨论的相同方法，即使用ANSYS材料库中现存的材料性质或ANSYS用户自定义的材料性质。9.4.1使用自由度来控制3D分析中导体上终端条件当进行一个节点法3-D谐波分析时，ANSYS程序提供一些选项来控制导体上终端条件。这些选项包括在导体区增加不同的自由度（DOFs）。在节点法3-D分析中，对于导体和终端，存在二种自由度选项：9.4.1.1 AX，AY，AZ，VOLT选项具有AX、AY、AZ、VOLT自由度设置的导体能模拟短路和开路二种情况。VOLT自由度表示时间积分电势。使用这种自由度设置，建立合适的感应（涡流）电流方向，电流将平行于未定义的导体边界和垂直于等电势边界流动。可按下述方式建立短路条件：在导体对称平面定义VOLT=0，这表示没有网路电位。对不接入电路的3-D结构，在一个节点处设置VOLT=0。赋予合理的磁通量平行或垂直边界条件。可按下述方式建立开路条件：对于对称结构，在一个平面设置VOLT=0，在另一个平面耦合所有节点。对于一般3-D结构，在一个节点设置VOLT=0。赋给合理的磁通量平行或垂直边界条件。要模拟一个载流块状导体，可“切割”该导体，并在一个切割面设置VOLT=0，然后在另一面耦合VOLT自由度，且在一个节点输入励磁电流：命令：F，AMPSGUI：Main MenuSolution-Loads-ApplyElectric-Excitation-Impressed Curr-9.4.1.2 AX，AY，AZ，CURR选项AX，AY，AZ，CURR选项类似于2-D的 AZ+CURR选项。在3-D分析中用它模拟一个电压供电绕线导体，CURR自由度表示线圈绕组每匝电流。只有SOLID97单元可以模拟载压绕线圈，这种单元必须定义实常数来表征绕线导体。大部分实常数的描述可参见第2章“2-D静磁分析”和第5章“3-D静磁分析（标量法）”。在3-D分析中，还可定义下列线圈常数：CARE（线圈截面积，它表示绕线圈的真实物理截面积）TURN（线圈总匝数，它表示绕线圈绕组的总匝数）VOLU（模型导体体积（并非真实体积，只是建立了分析模型的那部分体积）DIRX，DIRY，DIRZ（表示电流流向的单位矢量）CSYM（对称系数，它乘以VOLU就可得到实际的线圈体积）这些实常数的描述可参见图2：（1/8线圈模型）注意：线圈截面部分不能改变，通过用ESYS命令（Main MenuPreprocessor - Modeling -CreateElementsElem Attributes）定义单元坐标系的方式来简化电流方向的定义。9.4.2定义和设置模型的物理区域ANSYS程序提供了几个选择用于处理3-D磁场分析中的不同的终端条件，以下图示导体的不同的终端条件：载流块导体DOFs: AZ, VOLT材料特性：mr(MURX), r(RSVX)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。开路导体DOFs: AZ, VOLT材料特性：mr(MURX), r(RSVX)注：对于对称性结构，令一面的VOLT=0，再耦合另一面的节点。对于一般3-D结构，令一个节点的VOLT=0。载流绞线圈DOFs: AX, AY, AZ材料特性：mR(MURX)特殊特性：没有涡流，可以加源电流密度, JS。短路导体DOFs: AX,AY,AZ, VOLT材料特性：mr(MURX), r(RSVX)注：令导体对称面上的VOLT=0。载压绞线圈DOFS：AX，AY，AZ，CURR材料特性：mr(MURX), r(RSVX)注：线圈区域所有节点的CURR自由度必须耦合叠片铁芯自由度：AX，AY，AZ材料性质：r（MURX）特殊特性：没有涡流空气自由度：AX，AY，AZ材料性质：r（MURX）特殊特性：没有涡流运动导体（速度效应）可用SOLID97单元模拟恒速运动导体的速度效应，关于运动导体详情，见本章和第2章9.4.3 速度效应在交流（AC）激励下，运动导体的某些特殊情况是可以求解电磁场的。速度效应在静态、谐波和瞬态分析中都有效。第2章“二维静态磁场分析”中讨论了运动导体分析的应用情况和限制条件。对于运动导体分析，可以采用下列实常数：VELOX，VELOY，VELOZ总体笛卡儿坐标系下的X、Y、Z三个方向的速度分量OMEGAX，OMEGAY，OMEGAZ总体笛卡儿坐标系下的X、Y、Z三个方向的角速度分量（单位为HZ），旋转中心由XLOC，YLOC和ZLOC确定XLOC，YLOC，ZLOC旋转中心的总体笛卡儿坐标系的坐标值分量带运动导体的3D谐波分析同样需要运动导体区域具有时间积分电势自由度（VOLT），这通过设置单元的KEYOPT（1）=1（AX，AY，AZ和VOLT自由度）来实现。可用谐波分析来仿真静场激励下的运动导体，为了表示静场，需将谐波的频率设置得很低，通常，谐波频率小于0.00 1HZ就能产生准静态解，准静态解的结果是存放在实部里的。如果使用波前法求解，谐波的频率可以低到10-8HZ，而对于迭代解法，过低的频率会导致求解不收敛。9.4.4 功率损失详见第3章。注意理解功率损失，把功率损失值乘以因数2表示“静”激励直流功率损失。可利用运动导体的功率损失来计算运动方向上导体上拉力：功率损失=力*速度（即力和速度之积）9.4.5 建模帮助ANSYS程序提供RACE宏来由SOURC36单元自动建立一个跑道形线圈，虽然该线圈为MSP区域，但可利用界面单元INTER115将MSP区域与MVP区域连接起来。9.5 加载和求解节点法3-D谐波磁分析的载荷和分析过程及其GUI路径都相似于2-D谐波磁分析。对于3-D谐波载荷，差别如下：对于3-D SOLID62和SOLID97单元，加载电流（AMPS）要求单元有AX，AY，AZ，VOLT自由度，电流表示流过导体的总电流。当在3-D模型上加电流时，选择集肤效应区横截面上的全部节点，耦合它们的VOLT自由度，然后把电流加到截面的一个节点上。节点法3-D谐波分析的求解过程与第3章描述的过程一样。9.6 观察结果与第3章描述的内容一样。9.7 节点法（MPV）3D瞬态磁场分析9.7.1 建立3D瞬态分析的物理环境该过程与第4章描述的内容相似，只是有以下几点不同：使用SOLID62，SOLID97和CIRCU124单元类型，这些单元的描述见本手册第5章。在ANSYS单元参考手册中能找到全部单元的深入描述。用在本章中所描述的终端条件代替第3章中所讨论的那些条件。在节点法3-D瞬态分析中，SOLID62也提供位移自由度（UX，UY，UZ）。在节点法3-D瞬态分析中，通过使用矢量/标量界面单元INTER115，可以在非导体区用标量位单元来建立模型。在3-D中，为了模拟电路供电线圈，需要单元具有AX、AY、AZ、EMF和CURR自由度。为了模拟块导体，需要单元具有AX、AY、AZ、VOLT和CURR自由度。载压线圈和速度效应（仅SOLID97有效）要求用实常数来完整地描述线圈特性。详见ANSYS单元手册中对该单元的描述。9.7.2 加载和求解节点法3-D瞬态分析的加载过程基本上与2-D瞬态分析的加载过程（见第4章）相似，但应注意如下事项：如果把电流作为一种载荷加到SOLID62或SOLID97单元上，则必须要有AX、AY、AZ和VOLT自由度。另外，要选择集肤区截面上的全部节点，耦合这些节点的VOLT自由度并加电流载荷。当电压作为一种载荷时，只能加到SOLID97单元上。对于3-D和2-D瞬态分析的载荷步选项，请详见第16章中的描述。求解节点法3-D瞬态分析，按第4章所描述的过程进行。9.8 观察节点法3-D瞬态分析的计算结果按第4章中所描述的后处理过程进行。9.9 标势法和矢势法联合使用有时你的模型中有的部分最好使用标势法（用标势单元和SOURC36电流基元），而其它的部分则需要用到矢势法（用矢势单元），这时可将它们联合起来使用。具体步骤和前面介绍的其它分析方法类似，即建立物理环境、建立模型，加载、求解，然后进行后处理。9.9.1 建立混合区域的模型先按照前面介绍的RSP方法建立模型的标势部分（注意不能用DSP方法或是GSP方法），再按照本章中介绍的方法建立模型的矢势部分，最后再在标势区和矢势区之间如下划分INTER115单元：命令：ESURFGUI:Main MenuPreprocessorCreateElementsSurf EffectExtra Node Main MenuPreprocessorCreateElementsSurf EffectNo