ANSYS电磁场分析指南

ANSYS 电磁场分析指南 共电磁场分析指南 共 17 章 章 ANSYS 电磁场分析指南 第一章 磁场分析概述 ANSYS 电磁场分析指南 第二章 2 D 静态磁场分析 ANSYS 电磁场分析指南 第三章 谐波 磁场分析 ANSYS 电磁场分析指南 第四章 瞬态磁场分析 ANSYS 电磁场分析指南 第五章 静态磁场分析 标量法 ANSYS 电磁场分析指南 第六章 静态磁场分析 棱边元方法 ANSYS 电磁场分析指南 第七章 谐波磁场分析 棱边单元法 ANSYS 电磁场分析指南 第八章 D 瞬态磁场分析 棱边单元法 ANSYS 电磁场分析指南 第九章 3 D 静态 谐波和瞬态分析 节点 法 ANSYS 电磁场分析指南 第十章 高频电磁场分析 ANSYS 电磁场分析指南 第十一章 磁宏 ANSYS 电磁场分析指南 第十二章 远场单元 ANSYS 电磁场分析指南 第十三章 电场分析 ANSYS 电磁场分析指南 第十四章 静电场分析 h 方法 ANSYS 电磁场分析指南 第十五章 静电场分析 P 方法 ANSYS 电磁场分析指南 第十六章 电路分析 ANSYS 电磁场分析指南 第十七章 其它分析选项和求解方法 第一章磁场分析概述第一章磁场分析概述 1 11 1 磁场分析对象磁场分析对象 利用 ANSYS Emag 或 ANSYS Multiphysics 模块中的电磁场分析功能 ANSYS 可分析计 算下列的设备中的电磁场 如 电力发电机 磁带及磁盘驱动器 变压器 波导 螺线管传动器 谐振腔 电动机 连接器 磁成像系统 天线辐射 图像显示设备传感器 滤波器 回旋加速器 在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为 磁通密度 能量损耗 磁场强度 磁漏 磁力及磁矩 S 参数 阻抗 品质因子 Q 电感 回波损耗 涡流 本征频率 存在电流 永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场 1 2ANSYS1 2ANSYS 如何完成电磁场分析计算如何完成电磁场分析计算 ANSYS 以 Maxwell 方程组作为电磁场分析的出发点 有限元方法计算的未知量 自由 度 主要是磁位或通量 其他关心的物理量可以由这些自由度导出 根据用户所选择的单 元类型和单元选项的不同 ANSYS 计算的自由度可以是标量磁位 矢量磁位或边界通量 1 31 3 静态 谐波 瞬态磁场分析静态 谐波 瞬态磁场分析 利用 ANSYS 可以完成下列磁场分析 2 D 静态磁场分析 分析直流电 DC 或永磁体所产生的磁场 用矢量位方程 参见 本书 二维静态磁场分析 2 D 谐波磁场分析 分析低频交流电流 AC 或交流电压所产生的磁场 用矢量位方 程 参见本书 二维谐波磁场分析 2 D 瞬态磁场分析 分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场 包含永磁体 的效应 用矢量位方程 参见本书 二维瞬态磁场分析 3 D 静态磁场分析 分析直流电或永磁体所产生的磁场 用标量位方法 参见本书 三维静态磁场分析 标量位方法 3 D 静态磁场分析 分析直流电或永磁体所产生的磁场 用棱边单元法 参见本书 三维静态磁场分析 棱边元方法 3 D 谐波磁场分析 分析低频交流电所产生的磁场 用棱边单元法 建议尽量用这 种方法求解谐波磁场分析 参见本书 三维谐波磁场分析 棱边元方法 3 D 瞬态磁场分析 分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场 用棱边单元 法 建议尽量用这种方法求解谐波磁场分析 参见本书 三维瞬态磁场分析 棱边元方法 基于节点方法的 3 D 静态磁场分析 用矢量位方法 参见 基于节点方法的 3 D 静 态磁场分析 基于节点方法的 3 D 谐波磁场分析 用矢量位方法 参见 基于节点方法的 3 D 谐 波磁场分析 基于节点方法的 3 D 瞬态磁场分析 用矢量位方法 参见 基于节点方法的 3 D 瞬 态磁场分析 1 41 4 关于棱边单元 标量位 矢量位方法的比较关于棱边单元 标量位 矢量位方法的比较 什么时候选择 2 D 模型 什么时候选择 3 D 模型 标量位方法和矢量位方法有何不 同 棱边元方法和基于节点的方法求解 3 D 问题又有什么区别 在下面将进行详细比较 1 4 12 D1 4 12 D 分析和分析和 3 D3 D 分析比较分析比较 3 D 分析就是用 3 D 模型模拟被分析的结构 现实生活中大多数结构需要 3 D 模型来 进行模拟 然而 3 D 模型对建模的复杂度和计算的时间都有较高要求 所以 若有可能 请尽量考虑用 2 D 模型来进行建模求解 1 4 21 4 2 什么是磁标量位方法 什么是磁标量位方法 对于大多数 3 D 静态分析请尽量使用标量位方法 此方法将电流源以基元的方式单独 处理 无需为其建立模型和划分有限元网格 由于电流源不必成为有限元网格模型中的一 部分 建立模型更容易 标量位方法提供以下功能 砖型 六面体 楔型 金字塔型 四面体单元 电流源以基元的方式定义 线圈型 杆型 弧型 可含永久磁体激励 求解线性和非线性导磁率问题 可使用节点偶合和约束方程 此外 标量位方法中电流源建模简单 因为用户只需在合适的位置施加电流源基元 线圈型 杆型等 就可以模拟电流对磁场的贡献 1 4 31 4 3 什么是磁矢量位方法 什么是磁矢量位方法 矢量位方法 MVP 是 ANSYS 支持的两种基于节点的方法中的一种 标量位法是另一种 基于节点的方法 这两种方法都可用于求解 3 D 静态 时谐 瞬态分析 矢量位方法中的每个节点的自由度要比标量位方法多 因为它在 X Y 和 Z 方向分别具 有磁矢量位 AX AY AZ 在载压或电路耦合分析中还引入了另外三个自由度 电流 CURR 电压降 EMF 和电压 VOLT 2 D 静态磁分析必须采用矢量位方法 此时主自由度只有 AZ 在矢量位方法中 电流源 电流传导区域 要作为整个有限元模型的一部分 由 于它的节点自由度更多 所以比标量位方法的运算速度要慢一些 矢量位方法可应用于 3 D 静态 时谐和瞬态的磁场分析计算 但是 当计算区域含有 导磁材料时 该方法的精度会有损失 因为在不同导磁率材料的分界面上 由于矢量位的 法向分量非常大 影响了计算结果的精度 你可以使用 INTER115 单元 在同一模型中同时使用 3 D 标量位方法和 3 D 矢量位方法 1 4 41 4 4 什么是棱边元方法 什么是棱边元方法 我们推荐在解决大多数的 3 D 时谐问题和瞬态问题时 选用棱边单元法 但此方法对 于 2 D 问题不适用 棱边单元法中的自由度与单元边有关系 而与单元节点没关系 此方法在 3 D 低 频静态和动态电磁场的模拟仿真方面有很好的求解能力 这种方法和基于节点的矢量位法同时求解具有相同泛函表达式的模型时 此方法更精 确 特别是当模型中有铁区存在时 当自由度是变化的情况下 棱边单元法比基于节点的 矢量位方法更有效 ANSYS 理论手册中有关于此方法更细致的描述 1 4 51 4 5 棱边元方法和矢量位方法的比较棱边元方法和矢量位方法的比较 主要的不同在于棱边单元法具有更高的精度 对于 3 D 分析来说 使用棱边单元的分 析过程和用 MVP 分析的过程基本相同 所以 如前所述 我们推荐在求解大多数的 3 D 时谐和瞬态问题时采用单元边方法 但在下列情况下只能用矢量位法 模型中存在着运动效应和电路耦合时 模型要求电路和速度效应时 所分析的模型中没有铁区时 1 51 5 高频电磁场分析高频电磁场分析 ANSYS 程序具有高频电磁分析功能 用于分析计算给定结构的电磁场和电磁波的传播 特性 大多数高频器件都是用电磁波传播信息 同一器件在不同频率的表现显然是不同的 因此在高频器件设计中 进行频响特性分析就显得尤为重要 当信号的波长与导波设备的 大小相当时 就必须进行高频分析 ANSYS 提供时谐分析和模态分析两种分析方法 详见第 10 章 高频电磁场分析 1 61 6 电磁场单元概述电磁场单元概述 ANSYS 提供了很多可用于模拟电磁现象的单元 表 1 1 作了简要介绍 单元和单元特 性 自由度 KEYOPT 选项 输入和输出等 的详细描述请参见 ANSYS 单元手册 注意 并 非下表中的所有单元都能应用于所有的电磁分析类型 详情请参阅相关分析类型章节的描 述 表 1 1 电磁场单元 单元 维 数 单元 类型 节 点 数 形状自由度 1 1和其它特征 PLANE53 2 D 磁实 体矢 量 8 四边 形 AZ AZ VOLT AZ CURR AZ CURR EMF SOURC36 3 D 电流 源 3 无无自由度 线圈 杆 弧型基元 SOLID96 3 D 磁实 体标 量 8 砖形MAG 简化 差分 通用标势 SOLID97 3 D 磁实 体矢 量 8 砖形 AX AY AZ VOLT AX AY AZ CURR AX AY AZ CURR EMF AX AY AZ CURR VOLT 支持速度效应和电路耦合 INTER115 3 D界面4 四边 形 AX AY AZ MAG SOLID117 3 D 低频 棱边 单元 20 砖形AZ 棱边 AZ 棱边 VOLT HF1193 D 高频 棱边 单元 10 四面 体 AX 棱边 HF1203 D 高频 棱边 单元 20 砖型AX 棱边 CIRCU124 1 D电路8 线段 VOLT CURR EMF 电阻 电容 电感 电 流源 电压源 绞线圈 2D 大线圈 3D 大 线圈 互感 控制源 PLANE121 2 D 静电 实体 8 四边 形 VOLT SOLID122 3 D 静电 实体 20 砖型 VOLT SOLID123 3 D 静电 实体 10 四面 体 VOLT SOLID127 3 D 静电 实体 10 TetVOLT SOLID128 3 D 静电 实体 20 Brick VOLT INFIN92 D 无限 边界 2 线段 AZ TEMP INFIN110 2 D 无限 实体 8 四边 形 AZ VOLT TEMP INFIN47 3 D无限4 四边MAG TEMP 边界形 INFIN111 3 D 无限 实体 20 砖型MAG AX AY AZ VOLT TEMP PLANE67 2 D 热电 实体 4 四边 形 TEMP VOLT LINK683 D 热电 杆 2 线段 TEMP VOLT SOLID69 3 D 热电 实体 8 砖型 TEMP VOLT SHELL157 3 D 热电 壳 4 四边 形 TEMP VOLT PLANE13 2 D 耦合 实体 4 四边 形 UX UY TEMP AZ UX UY VOLT SOLID53 D 耦合 实体 8 砖型 UX UY UZ TEMP VOLT MAG TEMP VOLT MAG UX UY UZ TEMP VOLT MAG SOLID62 3 D 磁结 构 8 砖型 UX UY UZ AX AY AZ VOLT SOLID98 3 D 耦合 实体 10 四面 体 UX UY UZ TEMP VOLT MAG TEMP VOLT MAG UX UY UZ TEMP VOLT MAG 1 1具体的自由度根据 KEYOPT 选项的具体设置来激活 1 71 7 关于关于 GUIGUI 路径和命令方式路径和命令方式 在本指南中 贯穿始终 都会看见许多 ANSYS 命令流和其等效路径的提示 这些命令 行一般只使用了命令名 并没有列出所有变量参数 如果在命令后面加了不同的变量 将 执行一些其他的更复杂的操作 若希望了解更复杂的命令语法 请参考 ANSYS 命令指南 我们尽可能多地列出了 GUI 等效路径的提示帮助 很多情况下 直接执行 GUI 路径就 可以执行相应的命令函数 在有些情况下 执行 GUI 路径后 会出现菜单和对话框 根据 提示选择相应的选项完成希望执行的命令函数 对于本指南的所有分析 在定义材料属性时 将应用一种更加仿真的界面形式 界面 根据材料属性的不同 分门别类地分级列出树状形式结构 这样便于用户更加合理的选择 材料类型 详细情况请参见 ANSYS 基本过程指南 中的 材料模型界面 第二章第二章 2 D2 D 静态磁场分析静态磁场分析 2 12 1 什么是静态磁场分析什么是静态磁场分析 静态磁场分析考虑由下列激励产生的静态磁场 永磁体 稳态直流电流 外加电压 运动导体 外加静磁场 静磁分析不考虑随时间变化效应 如涡流等 它可以模拟各种饱和非饱和的磁性材料 和永磁体 静磁分析的分析步骤根据以下几个因素决定 模型是 2 D 还是 3 D 在分析中 考虑使用哪种方法 如果静态分析为 2 D 就必须采用在本章内讨论的 矢量位方法 对于 3 D 静态分析 你可选其中标量位方法 第 5 章 矢量位方法 第 9 章 或者棱边元方法 第 6 章 2 22 2 二维静态磁场分析中要用到的单元 二维静态磁场分析中要用到的单元 2 D 模型要用二维单元来表示结构的几何形状 虽然所有的物体都是三维的 但在实 际计算时首先要考虑是否能将它简化成 2 D 平面问题或轴对称问题 这是因为 2 D 模型建 立起来更容易 运算起来也更快捷 ANSYS Multiphysics 和 ANSYS Emag 模块提供了一些用于 2 D 静态磁场分析的单元 如下表 详细情况参见 ANSYS 单元手册 表 2 12 D 实体单元 单元 维 数 形状或特性 自由度 PLANE13 2 D 四边形 4 节点 最多可达每节点 4 个 可以是磁矢势 AZ 位 移 温度或时间积分电势 或三角形 3 节点 PLANE53 2 D 四边形 8 节点 或三角形 6 节点 最多可达每节点 4 个 可以是磁矢势 AZ 时 间积分电势 电流或电动势降 表 2 2 远场单元 单元维数 形状或特性自由度 INFIN92 D 线型 2 节点磁矢势 AZ INFIN110 2 D 四边形 4 个或 8 个节点磁矢势 AZ 电势 温度 表 2 3 通用电路单元 单元 维 数 形状或特性自由度注意 CIRCU124无 通用电路单元 最多可 6 节点 每节点最多可有三个 可以 是电势 电流或电动势降 通常与磁场 耦合时使用 2 D 单元用矢量位方法 即求解问题时使用的自由度为矢量位 因为单元是二维的 故每个节点只有一个矢量位自由度 AZ Z 方向上的矢量位 时间积分电势 VOLT 用于载 流块导体或给导体施加强制终端条件 还有一个附加的自由度 电流 CURR 是载压线圈中每匝中的电流值 便于给源线圈 加电压载荷 它常用于载压线圈和电路耦合 当电压或电流载荷是通过一个外部电路施加 时 就需要 CIRCU124 单元具有 AZ CURR 和 EMF 电动势降或电势降 这几个自由度 关于电磁电路耦合的更详细信息 参见 ANSYS 耦合场分析指南 2 32 3 静态磁场分析的步骤静态磁场分析的步骤 静态磁场分析分以下五个步骤 1 创建物理环境 2 建立模型 划分网格 对模型的不同区域赋予特性 3 加边界条件和载荷 激磁 4 求解 5 后处理 查看计算结果 下面将详细讨论这几个步骤 在本章末 还有一个螺线管电磁铁的 2 D 静态分析例题 这个例题是以 ANSYS 图形用户界面的方式来做的 并且还给出了相应的 ANSYS 命令格式 2 3 12 3 1 创建物理环境创建物理环境 在定义一个分析问题的物理环境时 进入 ANSYS 前处理器 建立这个物理物体的数学 仿真模型 按照以下步骤来建立物理环境 1 设置 GUI 菜单过滤 2 定义分析标题 TITLE 3 说明单元类型及其选项 KEYOPT 选项 4 定义单元坐标系 5 设置实常数和单位制 6 定义材料属性 2 3 1 12 3 1 1 设置设置 GUIGUI 过滤过滤 如果你是通过 GUI 路径来运行 ANSYS 当 ANSYS 被激活后第一件要做的事情是选择菜单 路径 Main Menu Preferences 在对话框出现后 选择 Magnetic Nodal 因为 ANSYS 会根据你选择的参数来对单元进行过滤 选择 Magnetic Nodal 以确保能够 使用用于 2 D 静态磁场分析的单元 2 3 1 22 3 1 2 定义分析标题定义分析标题 给你所进行的分析一个能够代表所分析内容的标题 比如 2 D solenoid actuator static analysis 确认使用一个能够与其他相似物理几何模型区别的标题 用下列方法 定义分析标题 命令 TITLE TITLE GUI Utility Menu File Change Title 2 3 1 32 3 1 3 定义单元类型及其选项定义单元类型及其选项 与其他分析一样 进行相应的单元选择 详细过程参见 ANSYS 基本过程指南 各种不同的单元组合在一起 成为具体的物理问题的抽象模型 根据处理问题的不同 在模型的不同区域定义不同的单元 例如 铁区用一种单元类型 而绞线圈需要用另一种 单元类型 你所选择的单元及它们的选项 KEYOPTs 后面还要详细讨论 可以反映待求区 域的物理事实 定义好不同的单元及其选项后 就可以施加在模型的不同区域 下面的表格和图形显示在 2 D 分析中存在两种不同区域 空气 DOF AZ 材料特性 MUr MURX rho RSVX 如要计算焦耳热 铁 DOF AZ 材料特性 MUr MURX 或 B H 曲线 TB 命令 永磁体 DOF AZ 材料特性 MUr MURX 或 B H 曲线 TB 命令 Hc 矫顽力矢量 MGXX MGYY 注 永磁体的极化方向由矫顽力矢量和单元坐标系共同控制 载流绞 线圈 DOF AZ 材料特性 MUr MURX 特殊特性 加源电流密度 JS 用 BFE JS 命令 注 假定绞线圈内有不受外界影响的 电流 可以根据线圈匝 数 每匝中的电流和线圈横截面积来计算电流密度 载压绞线圈 DOF AZ CURR 材料特性 MUr MURX rho RSVX 实常数 CARE TURN LENG DIRZ FILL 特殊特性 加电压降 VLTG 用 BFE 命令 耦合 CURR 自由度 注 用单元 PLANE53 建模 外加电压不受外界环境影响 运动导体 DOF AZ 材料特性 MUr MURX 或 B H 曲线 TB 命令 rho RSVX 实常数 VELOX VELOY OMEGAZ XLOC YLOC 注 运动物体不允许在空间上有 材料 的改变 用用 PLANE13PLANE13 和和 PLANE53PLANE53 单元表示所有的内部区域 包括铁区 导电区 永磁体区和空单元表示所有的内部区域 包括铁区 导电区 永磁体区和空 气等 气等 模拟一个平面无边界问题 可采用 2 节点边界元 INFIN9 或 4 8 节点边界元 INFIN110 INFIN9 或 INFIN110 能模拟磁场的远场衰减 而且相对于给定磁流平行或垂直 边界条件而言 远场单元可得到更好的计算结果 大多数单元类型都有关键选项 KEYOPTs 这些选项用以修正单元特性 例如 单元 PLANE53 有如下 KEYOPTs KEYOPT 1 选择单元自由度 KEYOPT 2 指定单元采用通用速度方程还是不计速度效应 KEYOPT 3 设定平面或轴对称选择 KEYOPT 4 设置单元坐标系类型 KEYOPT 5 说明单元结果打印输出选项 KEYOPT 7 保存磁力 用以与有中间节点或无中间节点结构单元进行耦合 每种单元类型具有不同的 KEYOPT 设置 同一个 KEYOPT 对不同的单元含义也不一样 KEYOPT 1 一般用于控制附加自由度的采用 这些附加自由度用来模拟求解区间内不同的 物理区域 例如 绞线导体 大导体 电路耦合导体等 关于 KEYOPT 设置的详细情况参 见 ANSYS 单元手册 设置单元关键选项的方式如下 命令 ETET KEYOPTKEYOPT GUI Main Menu Preprocessor Element Type Add Edit delete 2 3 1 42 3 1 4 定义单元坐标系定义单元坐标系 如果你的材料是分层的 迭片材料 或者永磁材料的极性是任意的 那么定义完单如果你的材料是分层的 迭片材料 或者永磁材料的极性是任意的 那么定义完单 元类型及选项后 还需要说明单元坐标系 缺省为全局笛卡尔坐标系 这首先要定义一元类型及选项后 还需要说明单元坐标系 缺省为全局笛卡尔坐标系 这首先要定义一 个局部坐标系 通过原点坐标及方向角来定义 方式如下 个局部坐标系 通过原点坐标及方向角来定义 方式如下 命令 LOCALLOCAL GUI Utility Menu WorkPlane Local Coordinate Systems Create Local CS At Specified Loc 局部坐标系可以是笛卡尔坐标系 柱坐标系 圆或椭圆 球坐标系或环形坐标 系 一旦定义了一种或多种局部坐标系 就需设置一个指针 确定即将定义的单元的坐标 系 设置指针的方式如下 命令 ESYSESYS GUI Main Menu Preprocessor Attributes Define Default Attribs Main Menu Preprocessor Create Elements Elem Attributes Main Menu Preprocessor Operate Extrude Sweep 2 3 1 52 3 1 5 定义单元实常数和单位制定义单元实常数和单位制 单元实常数和单元类型密切相关 用 族命令 如 R RMODIF 等 或其相应菜单路 径来说明 在电磁分析中 你可用实常数来定义绞线圈的几何形状 绕组特性以及描述速 度效应等 当定义实常数时 要遵守如下二个规则 1 必须按次序输入实常数 详见 ANSYS 单元手册 中的列表 2 对于多单元类型模型 每种单元采用独立的实常数组 即不同的 REAL 参考号 但是 一个单元类型可注明几个实常数组 命令 R R GUI Main Menu Preprocessor Real Constants 系统缺省的单位制是 MKS 制 米 安培 秒 你可以改变成你所习惯的一种新的单 位制 但载压导体或电路耦合的导体必须使用 MKS 单位制 一旦选用了一种单位制 以后 所有的输入均要按照这种单位制 命令 EMUNITEMUNIT GUI Main Menu Preprocessor Material Props Electromag Units 根据所选定的单位制 空气的导磁率 0 4 10 7H M 在 MKS 制中 或 0 EMUNIT 命令 或其等效的图形用户界面路径 定义的值 2 3 1 62 3 1 6 定义材料特性定义材料特性 你的模型中可以有下列一种或多种材料区域 空气 自由空间 导磁材料 导电区 和永磁区 每种材料区都要输入相应的材料特性 ANSYS 程序材料库中有一些已定义好材料特性的材料 可以直接使用它们 也可以修 改成需要的形式再使用 ANSYS 材料库中已定义好的材料如下 材料材料材料性质文件材料性质文件 Copper 铜 emag Copper SI MPL M3 steel 钢 emag M3 SI MPL M54 steel 钢 emag M54 SI MPL SA1010 steel 钢 emag Sa1010 SI MPL Carpenter steel 硅钢 emag Silicon SI MPL Iron Cobalt Vanadium steel 铁 钴 钒 钢 emag Vanad SI MPL 该表中铜的材料性质定义有与温度有关的电阻率和相对导磁率 所有其他材料的性质 均定义为 B H 曲线 对于列表中的材料 在 ANSYS 材料库内定义的都是典型性质 而且已 外推到整个高饱和区 你所需的实际材料值可能与 ANSYS 材料库提供值有所不同 因此 必要时可修正所用 ANSYS 材料库文件以满足用户所需 2 3 1 6 12 3 1 6 1 访问材料库文件 访问材料库文件 下面介绍读写材料库文件的基本过程 详细参见 ANSYS 入门指南 和 ANSYS 基本过 程手册 读材料库文件 进行以下操作 1 如果你还没有定义好单位制 用 UNITS 命令定义 注意 注意 缺省单位制为 MKS GUI 列表只列出当前被激活单位制的材料库文件 2 定义材料库文件所在的路径 你需要知道系统管理员放置材料库文件的路径 命令 MPLIB read MPLIB read pathdatapathdata GUI Main Menu Preprocessor Material Props Material Library Library Path 3 将材料库文件读入到数据库中 命令 MPREAD MPREAD filenamefilename LIB LIB GUI Main Menu Preprocessor Material Props Material Library Import Library Main Menu Preprocessor Loads Load Step Opts Other Change Mat Props Material Library Import Library 写材料库文件 进行以下操作 1 用 MP 命令或菜单 Main Menu Preprocessor Material Props Isotropic 编辑材料 性质定义 然后将改后的材料特性写回到材料库文件当中去 2 在前处理器中执行下列命令 命令 MPWRITE MPWRITE filenamefilename LIB MAT LIB MAT GUI Main Menu Preprocessor Material Props Material Library Export Library 2 3 1 6 22 3 1 6 2 定义材料属性和实常数的一般原则定义材料属性和实常数的一般原则 下面讲述关于设置物理模型区域的一般原则 在 2 D 谐波 AC 分析 中也详细描 述了 2 D 模型中需要设定的一些特殊区域 1 1 空气 空气 说明相对磁导率为 1 0 命令 MP murxMP murx GUI Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Electromagnetics Relative Permeability Constant 2 2 导磁材料区 导磁材料区 说明 B H 曲线 可以从库中读出 也可以自己输入 命令 MPREAD filename GUI Main Menu Preprocessor Material Props Material Library Import Library 命令 TB TB TBPTTBPT GUI Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Electromagnetics BH Curve 输入输入 B HB H 曲线必须要遵守的规则 曲线必须要遵守的规则 1 B 与 H 要一一对应 且应 B 随 H 是单调递增 如图 1 所示 B H 曲线缺省通过原点 即 0 0 点不输入 用下面的命令验证 B H 曲线 命令 TBPLOTTBPLOT GUI Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Electromagnetics BH Curve 2 ANSYS 程序根据 B H 曲线自动计算 n B2曲线 n 为磁阻率 它应该是光滑且连续 的 可用 TBPLOT 命令来验证 如图 1 所示 3 B H 曲线应覆盖材料的全部工作范围 确保足够多的数据点以完整描述曲线 如果如果 需要超出需要超出 B HB H 曲线的点 程序按斜率不变自动进行外延处理 你可以如下改变曲线的点 程序按斜率不变自动进行外延处理 你可以如下改变 X X 轴的范围轴的范围 并用并用 TBPLOTTBPLOT 命令画图来观察其外推情况 命令画图来观察其外推情况 命令 XRANGE XRANGE GUI Utility Menu PlotCtrls Style Graphs 其他原则 1 如果材料是线性的 那只需如下说明相对磁导率 mr 可以是各向同性或各向异性 命令 MP murx GUI Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Electromagnetics Relative Permeability Constant 2 如果对同一种材料既定义了非线性的 B H 曲线 又定义了相对磁导率 ANSYS 将只 使用其相对磁导率 3 各向异性材料的相对磁导率可用各向异性材料的相对磁导率可用 MPMP 命令的命令的 MURXMURX MURYMURY MURZMURZ 域来分别进行定义 域来分别进行定义 联合使用联合使用 B HB H 曲线和相对磁导率可定义正交各向异性材料的其中一个方向的非线性行为曲线和相对磁导率可定义正交各向异性材料的其中一个方向的非线性行为 如叠片铁磁材料 要在材料的某个方向上定义 如叠片铁磁材料 要在材料的某个方向上定义 B HB H 曲线 只需将该方向上的相对磁导曲线 只需将该方向上的相对磁导 率定义为零即可率定义为零即可 例如 假设对材料 2 定义了 B H 曲线 而只希望该 B H 曲线作用在材料 的 Y 轴上 而材料的 X 轴和 Z 轴都只定义相对磁导率 1000 则可按如下步骤完成 mp murx 2 1000 mp mury 2 0 read B H curve for material 2 mp murz 2 1000 2 3 1 72 3 1 7 源导体区 源导体区 源导体即连有外部电流 发生器 提供稳恒电流 的导体 当你要计算焦耳热 损耗时需说明它的电阻率 电阻率可以是各向同性或正交各向异性 命令 MP rsvxMP rsvx GUI Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Electromagnetics Resistivity Isotropic 在静态分析中 阻抗仅仅用于损耗计算 2 3 1 82 3 1 8 运动导体区域 运动导体区域 对一个运动导体进行分析 速度效应 要规定各向同性电阻率 以上所示方法 可求解运动体在特定情况下的电磁场 这些特定情况为 运动体本身表现为一种均匀 运动体 亦即运动 材料 在空间保持不变 如图 2 所示的两种情况 第一种情况 一个实体转子绕轴以一个不变速率旋转 第二种情况 一个 无限 长导体以不变的速度平移 诸如开槽转子以不变速度旋转等情形就不能考虑速度效应 因为这种情况下 电机中 的 槽 就表示了旋转体在材料上不连续 另外 有限宽的平移导体在磁场中移动也不能 考虑速度效应 典型的能考虑速度效应的例子是实体转子感应电机 直线感应电机和涡流 制动系统等 静态分析要求输入运动导体的平移速度或旋转速率 速度值和转动中心点坐标通过单静态分析要求输入运动导体的平移速度或旋转速率 速度值和转动中心点坐标通过单 元实常数来定义 速度效应通过单元关键选项来激活 而且只有元实常数来定义 速度效应通过单元关键选项来激活 而且只有 PLANE53PLANE53 单元有此功能 单元有此功能 2 3 1 92 3 1 9 运动体分析的实常数有 运动体分析的实常数有 VELOX VELOY 在总体直角座标系的 X 和 Y 方向上的速度分量 OMEGAZ 关于总体直角座标系 Z 轴的角 旋转 速度 以周 秒 HZ 表示 XLOC YLOC 转动中心点在总体直角座标系上的 X Y 坐标值 运动体电磁分析问题的分析结果精度与网格的精细程度 磁导率 电导率和速度相关 可用磁雷诺数 Reynolds Number 来表示 Mre vd 式中 为磁导率 为电阻率 v 为速度 d 为导体有限元单元的特征长度 沿运动 方向 磁雷诺数只在静态或瞬态分析中有意义 运动方程只是在磁雷诺数相对小时才有效和精确 典型量级为 1 0 高雷诺数时精度 随问题而变化 在后处理中可计算和获得磁雷诺数 除磁场解外 还可在在后处理中得到 由速度引起的电流 即速度电流密度 JVZ 2 3 1 102 3 1 10 永磁区 永磁区 需要说明永磁体的退磁 B H 曲线 如果是线性 可用相对导磁率 和磁矫顽力矢量 MGXX MGYY 或 MGZZ 命令 MPMP GUI Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Electromagnetics BH Curve 退磁 B H 曲线通常在第二象限 但需按第一象限输入 在输入的 H 值中要增加一个 偏移量 Hc 定义如下 图 3 显示了实际退磁曲线和 ANSYS 退磁曲线的差别 Hc 为矫顽力矢量的幅值 矫顽力矢量常和单元坐标系一起定义永磁体的极化轴方向 下面例题所示为一个条形磁体在总体坐标 X Y 平面内处于与 X 轴呈 300夹角的轴线上 磁体单元被假定赋予一个局部单元座标系 该局部坐标系的 X 轴与极化方向一致 本例还 展示了磁体退磁特性和相应的材料性质输入 PREP7 HC 3000 矫顽力 BR 4000 剩磁感应强度 THETA 30 永磁体极性方向 AFUN DEG 角度以度表示 MP MGXX 2 HC 矫顽力 X 分量 B H 曲线 TB BH 2 材料号 2 的 B H 曲线 TBPT DEFI 3000 HC 0 偏移后的 B H 曲线 TBPT 2800 HC 500 第一点 DEFI 缺省 TBPT 2550 HC 1000 TBPT 2250 HC 1500 TBPT 2000 HC 1800 TBPT 1800 HC 2000 TBPT 1350 HC 2500 TBPT 900 HC 3000 TBPT 425 HC 3500 TBPT 0 HC 4000 TBPLOT BH 2 绘制 B H 曲线 图 4 展示了在第一象限内创建的永磁体 B H 曲线 在 ANSYS 命令手册中 对 AFUN MP TB TBPLOT 等命令有更详细的描述 联合使用一条 B H 曲线和正交相对磁导率 可以描述非线性正交材料 叠片结构 在每一个相对磁导率为零的单元坐标系方向上 ANSYS 将使用该 B H 曲线 2 3 1 112 3 1 11 载压绞线圈 载压绞线圈 对载压绞线圈 要定义电阻率 按如下方式定义 命令 MP rsvxMP rsvx GUI Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Electromagnetics Resistivity Isotropic 绞线圈是按 形缠绕的单股连续型线圈 如下图图 5 所示 对这样的线圈要定义 各向同性 且只能是各向同性 电阻值 载压绞线圈只能用 PLANE53 单元来建模 还需要定义下列实常数 CARE 线圈横截面积 无论对称性如何 此常数代表绞线型线圈的实际物理面积 TURN 线圈总匝数 无论对称性如何 此常数代表绞线型线圈的实际总匝数 LENG Z 方向上线圈长度 在 2 D 平面分析中 此常数代表线圈的实际长度 DIRZ 电流方向 详见单元手册对 PLANE53 的描述 FILLFILL 线圈填充因子 此常数代表线圈组在线圈横截面积中所占的比例 它影响线圈填充因子 此常数代表线圈组在线圈横截面积中所占的比例 它影响 线圈的电阻值 还可以用它来线圈的电阻值 还可以用它来 调正调正 线圈电阻值 线圈电阻值 2 3 22 3 2 建模 分网 指定特性建模 分网 指定特性 建模过程可参照 ANSYS 建模和分网指南 然后在模型各个区域内指定特性 单元 类型 选项 单元坐标系 实常数和材料性质等 参见 建立物理环境 部分 通过 GUI 为模型中的各区赋予特性 1 选择 Main Menu Preprocessor Attributes Define Picked Areas 2 点击模型中要选定的区域 3 在对话框中为所选定的区域说明材料号 实常数号 单元类型号和单元坐标系 号 4 重复这些步骤 直至处理完所有区域 通过命令为模型中的各区赋予特性 ASELASEL 选择模型区域 MATMAT 说明材料号 REALREAL 说明实常数组号 TYPETYPE 指定单元类型号 ESYSESYS 说明单元坐标系号 指定完毕各区域特性后 就可划分有限元网格了 详见 ANSYS 建模和分网指南 2 3 32 3 3 施加边界条件和载荷施加边界条件和载荷 既可以给实体模型 关键点 线 面 也可以给有限元模型 节点和单元 施加 边界条件和载荷 在求解时 ANSYS 程序自动将加到实体模型上载荷转递到有限元模型上 通过一系列级联菜单 可以实现所有的加载操作 当选择 Main Menu Solution Loads Apply Magnetic 时 ANSYS 程序将列出所有的边界条件和三种载荷类 型 然后选择合理的类型和合理的边界条件或载荷 对于一个 2 D 静态分析 能选择的边 界条件和载荷如下 Boundary Boundary Excitation Excitation Flag Flag Other Other Vector Poten Curr Density Comp Force Curr Segment On KeypointsOn Keypoints Infinite Surf On Keypoints On NodesOn NodesOn LinesOn Nodes Flux Par l On ElementsOn Areas Maxwell Surf On LinesVoltage DropOn NodesOn Lines On NodesOn Areas Flux Normal On Nodes On Lines Virtual Disp On NodesOn Keypoints Periodic BCsOn Nodes 例如 施加电流密度到单元上 GUI 路径如下 GUI Main Menu Preprocessor Loads Apply Magnetic Excitation Curr Density On Elements 在菜单上你可以见到列出的其他载荷类型或载荷 假如它们呈灰色 就意味着在 2 D 静态分析中不能加该载荷 或该单元类型的 KEYOPT 选项设置不合适 另外 也可以通过 ANSYS 命令来输入载荷 要列出已存在的载荷 方式如下 GUI Utility Menu List Loads load type 下面将详细描述可以施加的各种载荷 2 3 3 12 3 3 1 边界条件边界条件 2 3 3 1 12 3 3 1 1 磁矢量位磁矢量位 AZ AZ 通过指定磁矢量位 可以定义磁力线平行 远场 周期性边界 以及外部强加磁场等 条件 下表列出了每种边界条件需要的 AZ 值 边 界 条 件 AZ 值 磁 力 线 垂 直 不需要 自然边界条件 自然满足 磁 力 线 平 行 说明 AZ 0 用 D 命令或 GUI 路径 Main Menu Preprocessor Loads Loads Apply Magnetic Boundary Vector Poten Flux Par l On Lines or OnOn NodesNodes 远 场 用远场单元 INFIN9 只用于平面分析 和 INFIN110 周 期 性 用 PERBC2D 宏在节点上创建奇对称或偶对称周期性边界条件 或用 GUI 路径 Main Menu Preprocessor Loads Loads Apply Magnetic Boundary Vector Poten Periodic BCs 外 部 强 加 磁 场 令 AZ 等于一非零值 用 GUI 路径 Main Menu Preprocessor Loads Loads Apply Magnetic Boundary Vector Poten Flux Par l On Lines On Nodes 磁力线平行边界条件强制磁力线平行于表面 磁力线垂直边界条件强制磁力线垂直于表面 是自然边界条件 自然得到满足 使用远场单元 INFIN9 和 INFIN110 来表示模型的无限边界时 无需说明远场为零边界 条件 如果模型具有周期性 或者通量的特性具有重复性 可用 PERBC2D 宏命令来定义周期 性边界条件 对于外部强加磁场 直接在合适的区域施加非 0 的 AZ 值就行了 2 3 42 3 4 加励磁载荷加励磁载荷 2 3 4 12 3 4 1 源电流密度源电流密度 JS JS 此载荷给源导体加电流 在国际单位制中 JS 的单位为安培 米 2 在 2 D 分析中 只有 JS 的 Z 分量是有效的 在平面分析中正值表示电流向 Z 方向 在轴对称分析中正值 表示电流向 Z 方向 对绞线圈或块导体来说 电流一般是均匀分布的 通常直接将源电流密度载荷加 给单元 命令 BFEBFE GUI Main Menu Preprocessor Loads Loads Apply Magnetic Excitation Curr Density On Elements 详细情况参见 ANSYS 命令手册 同样 也可以用 BFA 命令把源电流密度施加到实体模型上 用 BFTRAN 或 SBCTRAN 命令 把施加到实体模型上的源电流密度转换到有限元单元模型上 2 3 4 22 3 4 2 电压降电压降 VLTG VLTG 此载荷给绞线圈加电压降 只能用 MKS 单位制 只有对使用了 AZ 和 CURR 自由度的 PLANE53 单元 参见 PLANE53 单元的 KEYOPT 1 选项 才能使用电压降 VLTG 载荷 电压降可使用 BFE 命令加在单元上 也可以用 BFA 命令加在实体模型的某些面上 用 BFTRAN 或 SBCTRAN 命令 把施加到实体模型上的电压降 VLTG 载荷转换到有限元单元模 型上 因为 CURR 表示线圈每匝的电流 而线圈中的电流值是唯一的 所以加载前必须将线圈 所有节点的 CURR 自由度耦合起来 否则将导致求解错误 用下列方式进行 命令 CPCP GUI Main Menu Preprocessor Coupling Ceqn Couple DOFs 2 3 52 3 5 施加标志施加标志 2 3 5 12 3 5 1 力标志力标志 用 FMAGBC 宏对需要进行力和力矩计算的部件施加标志 该宏自动施加虚位移和 Maxwell 面标志 后面介绍 建模时 在需要进行力和力矩计算的部件周围 至少要包 围一层空气单元 对需要进行力和位移计算的部件的单元命名为一个元件 Component 再按下列方式使用 FMAGBC 宏 命令 FMAGBCFMAGBC Cnam GUI Main Menu Preprocessor Loads Loads Apply