ANSYS电磁场教程 电磁模拟ppt课件

ANSYS电磁场培训教程第四章 4 1三维电磁模拟 4 1 2 三维 3D 模拟 在很多情况下 电磁场分析要以三维 3D 方式进行模拟没有完全轴对称的模型 衔铁上的通气孔 定子 周期性截面 线圈区域 靠近孔的饱和区非轴对称 4 1 3 三维 3D 模拟 除Z轴方向外 模型还有其他方向的电流 不同电流方向的多个汇流排 4 1 4 三维 3D 模拟 具有平面和轴对称组合部件的模型 衔铁外形复杂 平面型定子 具有确切外形的衔接和廉价迭片定子的致动器 线圈区域 4 1 5 三维 3D 模拟 轴向非均匀的模型 10极永磁电机 建立了2极模型 定子 永磁体和转子具有不同轴向长度 永磁体 转子 定子 4 1 6 正如二维 2D 模拟一样 三维模拟功能也包括静态 交流和瞬态分析缺省的线性材料为各向同性 只赋予MURX值 三维 3D 材料选项包括对于所有三个方向的正交各向异性选项MURn和RSVn n表示X Y Z三个方向 BH磁化曲线能用于磁导率正交各向异性的任一个方向 其余方向为常数在某正交各向异性方向应用BH曲线时 该方向的MURn应设置为零 只在正交各向异性材料中要求如此 三维单元包括远场边界单元与二维模拟相同 也支持复杂组合的物理区域交流分析的绞线导体与块导体电压与电流供电复杂铁磁区域 4 1 7 具有模拟三维模型运动的功能周期性边界条件改变线圈电流不相同网格执行动画文件 mach3d avi观察转子转动画 10极永磁电机 输入正弦电流 4 1 8 单元列式直接影响到模拟的各个方面施加通量垂直和平行边界条件何为自然边界条件 何为自由度约束 BH数据对收敛敏感性的影响 B2曲线与 H曲线模拟激励的方法 绞线圈 可在模型中包含铁磁区模型中的铁磁 空气界面后处理通量计算 电动势 EMF 计算的起始点 磁力线 显示 三维模拟使用多种单元列式 4 1 9 三维 3D 模拟功能包括三种单元列式类型标量势单元列式 静态1 SOLID96 简化标势法 RSP 用于没有线圈的铁 空气界面模型差分标势法 DSP 用于具有单通量路径的铁 空气界面模型通用标势法 GSP 用于具有多通量路径的铁 空气界面模型单元边列式 静态 交流 瞬态 SOLID117 包含任意铁磁区域周期对称模型必须为全模型 不能有耦合磁矢量势 MVP 列式 静态 交流 瞬态 SOLID97 无铁磁区域 1 如果模型中还有矢量势和界面单元INTER115 标量法能用于交流和瞬态模拟 4 1 10 标量势单元列式自由度 MAG通量垂直边界条件 MAG自由度必须被约束或耦合通量平行边界条件 这是自然边界条件 不要求施加 这种边界条件施加到模型边界上 不采用约束或耦合 有相应的菜单来施加标量法的通量平行条件 但只是一个注意项而已 无须使用 分析中BH曲线的使用必须检查 H曲线 保证其是 光滑 的 4 1 11 H曲线由下面菜单绘制Utility plot datatables 曲线上没有波纹 求解收敛性就很好 选择OK 4 1 12 标量势的激励是基于Biot Savart计算的 使用预先定义的线圈形状 sourc36单元 因此 对应于线圈或杆导体的有限元区域不必直接建模 象二维磁矢势分析那样 sourc36单元的帮助文件中对线圈原型定义 4 1 13 线圈原型常用于某些类型的致动器 但多数情况下 该线圈以ARC型和BAR型相组合构成 跑道 形线圈本章后面对此有详细描述 ARC型构成跑道形线圈转角 BAR型构成跑道形线圈直边 4 1 14 sourc36单元定义它们不要求连接成连续单元三个节点用于定义线圈原型的取向和一个特征长度在单元实常数中定义导体厚度和电流 安匝数 模型中所用厚度相应于导线位置而不是绝缘厚度 电流流向 对于图示线圈 线圈长度 05m厚度 02m线圈中间点半径 10m取向 沿 Z安匝数 1 500 4 1 15 单元的节点 节点K处于线圈中心位置即节点1 0 0 0 节点I处于线圈中间半径位置即节点2 0 1 0 0 节点J决定了线圈取向的定义 即节点3 0 0 1 0 生成单元前需要定义sourc36单元 该单元无单元类型选项Preproc elementtype add edit delete ADD 线圈实例 NodeJ NodeI NodeK 箭头方向定义电源取向 右手定则 4 1 16 单元实常数设置号应该是唯一的 或其它相同线圈一致 实常数应在生成单元前定义 Preproc realconstants 选择ADD 选择sourc36单元类型 选择OK 4 1 17 完成线圈定义 选择sourc36原型 必须为与单元相对应的实常数 安匝数 方向由前面幻灯片中的红箭头所示 线圈厚度 线圈轴向长度 DY DZ的单位制要与模型一致 选择OK 4 1 18 先生成单元前 要设置单元属性Preproc create elements elemattributes单元类型实常数 如前面幻灯片所定义的 人工生成单元 不用自动生成网格 Preproc create elements autonumbered thrunodes 顺次选取节点2 3和1 如果要根据实常数中设置的尺寸来显示线圈图形 则图形设置必须变更 Utility plotctrls style sizeandshape 选择OK 4 1 19 在某些情况下 要求将 增强图形 方式转换为 全图形 方式Utility plotctrls style hiddenlineoptions 箭头长度由绘图控制选项控制PlotCtrls style vectorarrowscaling 注 在标准工具栏中可直接设置 增强图形 将其关闭 4 1 20 利用改变实常数数据可改变线圈特征Preproc realconstants选择EDIT 初始生成的设置 将0 05改为0 1 选择OK 4 1 21 应建完整的线圈组模型实际上有例外线圈远离铁芯区域 对铁芯内磁场产生不重要的影响 模型中只建立了2个极和1 2轴向长度 4 1 22 标量列式包括三种型式的标量势 每一种适用于特定的物理区域 可以采用简化标量势 RSP 的物理区域有 铁磁区和永磁体无线圈的铁磁区域无铁磁介质的线圈 4 1 23 RSP优点 模拟分析为单步求解相对于其它标量方式 其计算量最小RSP缺点 数值相消 使RSP方法在铁磁模型内不能使用sourc36单元励磁 4 1 24 RSP方法适用于模拟含有铁空气界面和永磁体的系统 分析目的为确定转矩与转角的关系 10极迭片电机的2极 每极锥角为15度 4 1 25 差分标量势 DSP 方法可用于模拟 线圈与铁磁介质区相连永磁体无铁磁区的线圈限制 模型几何体必须满足单连通条件 当铁芯磁导率接近于无限大则铁介质中磁场强度接近零时 可确定为单连通 致动器 具有空气隙电机等 缺点 求解为二步过程 4 1 26 直线加速器的C形磁体 气隙 线圈产生磁场控制带电粒子运动 带电粒子运动 这是一个当铁芯磁导率变得很大时 磁场强度接近零的实例 4 1 27 DSP方法适合于模拟含有铁和空气界面以及sourc36单元电流源的系统 分析目的是确定在指定定子电流形式时转矩与转角的关系 10极电机的两极模型 三相电机的绕组截面 4 1 28 通用标势法适用的物理模型 Sourc36单元可与铁磁区相连磁体励磁通量条件可以定义通量 Webers 可在无铁芯介质的模型采用Sourc36单元限制 模型几何体必须满足多连通条件若当铁介质磁导率为无限大时 铁芯内磁场并不接近零 则可确定为满足多连通条件 变压器 导磁体 具有多通量路径的模型等 缺点 要分三步求解 4 1 29 闭合磁路电感线圈 实例 当铁芯磁导率变大时磁场不为零 多连通 4 1 30 模拟远场区域的模型有二种远场边界单元 infin47和infin111 infin47这是一个 壳 形单元 可用 esurf 生成模型外表面不要求设置其它标志 远场自由空间 从帮助 Help 查看infin47单元 4 1 31 infin111砖型单元本单元比使用infin47更精确单元的外表面要求设置标志Preproc loads apply flags infinitesurface onareas 中间节点适用于具有中间节点的六面体单元 solid98 4 1 32 单元边列式是一种最先进的用于模拟三维 3D 复杂铁磁模型的计算方法自由度 AZ VOLT用于交流或瞬态分析 通量垂直条件 这是自然边界条件 不要求施加 这种条件加到模型边界 不用约束和耦合通量平行边界条件AZ自由度必须加约束模拟时使用BH曲线 B2曲线必须确认为 光滑 中间节点 4 1 33 利用线圈励磁的模型与二维 2D 模拟相似 线圈区域必须为有限元网格 电流密度有三个分量JSX JSY JSZ这些分量对应于单元坐标轴方向任意直角坐标系任意圆柱坐标系总体坐标系 转角部分需要JSY 局部柱坐标系的环向方向 直段部分用总体坐标系 线圈区截面 4 1 34 3DMVP列式自由度 AX AY AZ VOLT用于交流或瞬态分析 通量垂直边界条件 这是自然边界条件 但是 垂直于边界的A分量必须设为零X Y平面 AZ必须约束为零X Z平面 AY必须约束为零Y Z平面 AX必须约束为零 4 1 35 通量平行边界条件模型平面内的A分量必须设置为零X Y平面 AX和AY必须约束为零X Z平面 AX和AZ必须约束为零Y Z平面 AY和AZ必须约束为零 4 1 36 三维应用 4 1 37 三维应用 4 1 38 模拟中使用BH曲线 B2曲线必须确认为 光滑 利用线圈励磁的模型相似于单元边列式法 线圈区域必须为有限单元模型 电流密度有三个分量 JSX JSY和JSZ 4 1 39 本章包括下面实例 以显示三维模拟能力 三维衔接铁磁体静态模拟DSP方法求解 三维致动器静态模拟单元边方法求解 块导体内的三维杆交流模拟单元边方法求解 三维汇流排静态模拟MVP方法求解 4 2三维电磁场模拟 4 2 41 三维直流衔接磁铁 问题描述1 4对称线圈为电流供电线圈为绞线型导线分析顺序施加边界条件进行求解后处理计算力磁动势能量 定子 线圈 衔铁 安装孔 4 2 42 物理区域定子BH数据衔铁BH数据线圈自由空间 r 1空气自由空间 r 1励磁 1 500安匝对称平面X Z平面 通量垂直X Y平面 通量平行 单位 mm 4 2 43 在命令窗口输入keeper来建模模型信息单元类型 标量势单元solid96单元组件 ARMATURE 衔铁单元 线圈尺寸和参数线圈长度 LEN线圈中心X坐标 XCC线圈中心Y坐标 0 XCOIL 线圈中心到线圈半壁厚处的X坐标距离 YCOIL 线圈中心到线圈半壁厚处的Y坐标距离 WC 4 2 44 必须生成整个线圈利用RACETRACK宏命令 线圈X Y轴的原点在线圈中心 Z轴为线圈中心线轴 线圈输入参数DYWCDZLENXCXCOILYCYCOIL 从线圈局部原点测量 线圈详细数据 4 2 45 在利用RACETRACK宏命令生成线圈前 线圈的X Y Z轴必须定位把原点移到线圈中心位置坐标 XCC 0 0 Utility workplane offsetto X Y Zlocations 在命令窗口输入xcc 0 0并回车 Z X Y 线圈中心 XCC 0 0 4 2 46 旋转工作平面 定向工作平面的Z轴工作平面本来平行于总体坐标需绕X轴旋转 90度 Z X Y 需要的工作平面Z轴方向 然后选择X 首先移动滑块到90 4 2 47 建跑道形线圈Preproc create racetrackcoil 选择OK把 增强图形 方式转换到 Full 方式 以图示线圈 利用线圈 Z轴右手定则决定线圈电流方向 安匝数 4 2 48 在Y 0处施加通量垂直条件选择Y 0平面Solu apply boundary fluxnormal onareasPickall 通量平行边界条件是自然边界 不用施加 4 2 49 对衔铁施加力计算标志Solu apply flag comp Force ARMATURE 选择OK开始求解Solu electromagnet opt solv 选择OK 因为有铁 空气界面 要求选DSP 推荐选择YES 除非线圈数据不变 4 2 50 观察衔铁安装孔的影响显示磁场强度 H Postproc plotresults nodalsolu 4 2 51 磁动势 MMF 计算衔铁磁动势 MMF 最好在X Y平面 Z 0 选择节点平面选择与这些节点相连的单元定义路径Postproc elec magcalc definepath选择路径上的点以后选择OK 第1点 第2点 第3点 4 2 52 路径点之间的采样点数 选择OK计算MMFPostproc elec magcalc MMF选择OK 4 2 53 重复这过程计算定子MMF 以前的路径 新路径 4 2 54 重复计算空气隙两边的两个节点 用在前面的路径计算中 总MMF 每部分乘以系数2部件MMF衔铁554定子8空气隙941总和1 503 37 安匝数使衔铁饱和 4 2 55 得到衔铁作用力Postproc elec magcalc comp Force ARMATURE 选择OK 衔铁总磁力为X方向力乘以4 这些分量与未建模型产生的力相抵消 DSP是二步求解 最后一步才是完全解 4 3三维电磁模拟 4 3 57 三维直流致动器实例 TEAM20标准检查程序 问题描述1 4对称线圈为电流供电线圈为绞型导体分析顺序施加边界条件执行模拟后处理计算力计算电感 单位 mm 衔铁 线圈 定子 4 3 58 物理区域定子 r 500衔铁 r 500线圈自由空间 r 1空气自由空间 r 1励磁 3 000安匝平面对称 通量平行Y Z平面X Z平面 原点 Z Y X 电流方向 4 3 59 在命令窗口输入team20建模模型信息单元类型 边单元列式 solid117励磁线圈 线圈要建模线圈横截面积 ACOND参数线圈全部单元加载电流密度单元组件 线圈单元组件名 COIL衔铁单元组件名 ARMATURE 4 3 60 线圈区加载电流密度按单元坐标系加载电流密度线圈区单元可用不同单元坐标系线圈转角部分用柱坐标系 ESYS11 直段部分用直角坐标系 局部坐标系11 柱坐标 原点在线圈转角半径中心 电流方向 激活线圈单元坐标系ESYS号 4 3 61 转角部分电流的正方向为单元坐标的 Y 向 直段部分电流的正方向为单元坐标系的 Y 向 直段部分电流的负方向为单元坐标系的 X 向 确认JS电流分量和符号 线圈电流方向 4 3 62 用实常数来选择线圈的两个部分 把JSY和JSX加于相应的部分 实常数4 JSX 0 实常数3 JSY 0 实常数2 JSY 0 4 3 63 在线圈组件的2和3实常数单元上施加 3000 acond JSY电流密度分量Solu apply excitation currdensity onelements PickAll 选择OK在线圈组件的实常数4单元上施加 3000 acond JSX电流密度分量Solu apply excitation currdensity onelements PickAll 选择OK 4 3 64 利用图形控制 在单元图上显示电流密度Utility plotctrls symbols 4 3 65 在模型所有外表面上施加通量平行条件Y Z平面 对称平面 X Z平面 对称平面 其余平面施加远场边界条件激活整个模型选择外部表面加通量平行边界条件Solu apply boundary fluxpar l byareas选择 PickALL 选择OK 4 3 66 施加力计算标志Solu apply flag comp Force ARMATURE 选择OK 衔铁面上加Maxwell s标志 4 3 67 确保激活整个模型选择求解类型Solu analysisoptions 选择OK 选择OKSolu currentLS 4 3 68 最好选择模型的几个部分来生成磁通密度矢量图 以显示场量值和方向不选择空气 材料1 Postproc plotresults vectorplot predefined 选择OK 只允许显示激活单元的轮廓线 如果箭头太长 可设置 1 4 3 69 不选择空气和线圈单元 显示磁通密度矢量 4 3 70 在后处理中计算力Postproc elec magcalc comp force ARMATURE 选择OK 这些力将与未建模产生的力相抵消 乘以4得总垂直力 4 3 71 计算线圈力 生成单元表项 选择线圈组件COILPostproc elementtable definetable ADD 选择APPLY Y方向Lorentz力 选择APPLY X方向Lorentz力 4 3 72 Z方向Lorentz力 选择OK 选择CLOSE 4 3 73 线圈单元上的力求和Postproc elementtable sumofeachitem 这些分力与未建模型生成的力相抵消 但会使线圈扭曲 Z方向总力要乘以4 此力分量引起线圈紧压定子下部 4 3 74 计算围绕线圈的磁动势 MMF 最好选择X Z平面 Y 0 上的节点再选择这些与节点相连的单元 开始路径选择 这是起始点也是终点 最好利用缩放来选取路径上节点 定义路径Postproc elec magcalc definepath路径上选择节点后 选取OK 4 3 75 路径点之间采样点的数目 选择OK计算MMFPostproc elec magcalc MMF选择OK 激活路径标志 计算MMF所用的节点平面 此值随所选节点而变化 4 4三维电磁模拟 4 4 77 在交变场中的三维杆导体 问题描述1 8对称外园导体是电流供电块导体内杆是导磁 导电体分析顺序施加边界条件执行求解后处理计算功率损失观察径向功率分布 4 4 78 物理区域外导体 r 1 1714E 7 m内导体 r 50 1E 7 m空气自由空间 r 1励磁 10 000A 峰值 1 000Hz对称平面X Y平面 通量垂直X Z平面 通量平行Y Z平面 通量平行 单位 mm 外导体 内导体 4 4 79 在命令窗口输入ac3d建模模型信息单元类型 边单元solid117导体 AZ VOLT自由度空气 AZ自由度励磁导体 导体要建模总电流加到截面的一个节点上单元组件 内导体 BAR外导体 ELEMENT 4 4 80 靠近杆BAR外半径处要加密网格 以满足集肤效应的计算要求 集肤厚度 上要有两个单元 BAR的边界 f 1 2 m 式中 磁导体 r 0 50 1 256E 6 电导率 1 电阻率 Ohm m 1E 7f 场频率 Hz 1000 77mm 4 4 81 外导体的内半径 由于集肤效应 外导体内半径也要网格细化 f 1 2 m 式中 磁导率 r 0 1 256E 6 电导率 1 5 83E 8f 场频率 Hz 1000 2 1mm 4 4 82 在内导体对称平面加VOLT约束施加VOLT约束Solu apply electric boundary onareas 选择内杆对称端面平面 选择OK 4 4 83 对于外导体对称平面 在一个对称平面上施加VOLT耦合在耦合端的一个节点上施加电流值在另一个对称面的全部节点上施加VOLT约束 只对于导体节点 外导体施加10 000安 峰值 1 000Hz电流 4 4 84 在对称平面上加电压 VOLT 耦合选择外导体对称平面上节点建立耦合Preproc couplin ceqn coupledof PickAll 确保号码不重复 选择OK 外导体Y Z对称面节点 4 4 85 利用节点图 在一个关键点上加电流值Preproc loads apply electric excitation impressedcurrents onkeypoints 选择OK 选择任意一个角节点 它对应于一个关键点 已加电流标志 4 4 86 外导体另一对称面的节点上加VOLT约束Solu apply electric boundary onareas 选择外导体Y 0的对称平面 选择OK 4 4 87 通量平行边界条件 Y Z平面 X 0 X Z平面 Y 0 在模型末端 Z最大值位置 加通量平行边界条件作为一个远程边界条件面上加边界条件使整个模型激活选择外表面不选Z 0的平面 4 4 88 加通量平行条件Preproc loads apply magnetic boundary fluxpar l onareas全部选取在Z 0处 通量垂直是自然边界条件 对于边单元列式方法 不要求加边界条件 自动满足 不包括Z 0的外表面 约束AZ使通量平行 4 4 89 执行求解Solu newanalysis HARMONIC 频率为1 000HzSolu time fre