Ansys电磁场分析经典教程

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 42 1 12 2 12 3 12 4 12 5 13 1 13 2 14 1 14 2 14 3 14 4 14 5 15 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 时变瞬态阶跃电压PWM 脉宽调制 PulseWidthModulation 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Mainmenu preferences 选择OK 1 12 定义所有物理区的单元类型为PLANE53Preprocessor Elementtype Add 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 Elementbehavior 单元行为 选择Axisymmetric 轴对称 选择OK 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 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 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1 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OK 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 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Utility PlotCtrls Numbering 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 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 1 27 使单元与衔铁组件联系起来Utility Select Comp Assembly CreateComponent 选择OK 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 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 0001 使整个模型激活Utility Select Everything缩放平面 不用拷贝Preproc operate scale areas 选择OK 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 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OK 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 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 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 1 37 显示总磁通密度值 BSUM Postproc PlotResults NodalSolution 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 PoleFace A A 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 Quartersymmetrymodelofthesimplemagnetizer 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 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 rAZ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 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OK 1 54 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Preproc realconstants 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 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 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Preproc materialprops isotropic 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 materialprops materiallibrary librarypath 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Preproc materialprops materiallibrary importlibrary 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Utility list properties datatables 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 000A 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 771575 1 102365 1 307875 1 5015750 1 5631500 1 6347245 1 6678740 1 70 1 66 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OK 1 67 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 list 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 Utility plot datatables graphNUvs B 2 1 69 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 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 17 14E 9 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 16000N Rmid Dw2R 4 03 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 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Preproc sizecntrl basic 1 74 axis2s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 1 75 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 1 76 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OK 1 77 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OK 1 78 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ARMATURE 1 79 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 1 80 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 1 81 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Postproc plotresults elemtable 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Postproc pathoperations mapontopath 任意名 选择ETAB FVW Y 选择OK 1 87 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OK 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Postproc pathoperations listpathitems 选择OK 1 90 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 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 92 线圈X方向Lorentz力的等值图Postproc elementtable plotelemtable 选择OK 1 93 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 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 1 95 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 eraseoptions 1 96 图示磁力线Postpro plotresults 2Dfluxlines选择OK 1 97 线性和非线性材料的共能计算Postpro elec magcalc coenergy选择OK 1 98 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 1 99 铁单元的磁导率能用等值图显示Postpro elementtable 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 7Postpro 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OK 1 101 用等值图显示相对磁导率MURPostpro elementtable plotelemtable 注意饱和区 选择tOK 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 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MMFPostpro elec magcalc MMF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 384A t 1 106 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 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Postpro elec magcalc current选择OK 1 108 对于线性系统 Postpro elec magcalc Terminalpar对于非线性系统一两种理论选项割线定义增量定义简易割线计算利用共能 C L 2Ci2 仿照电机计算更精确的方法 LMATRIX宏Solu magnetic inductance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 0Hc 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 1 113 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OK 1 114 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OK 1 115 Hc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2 1 116 问题描述平面 圆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 000A mBr 850Gauss尺寸 内径 5cm外径 1cm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 1 119 输入cir1pole mac宏建立模型定义材料2的磁体性质Preproc materialprops orthotropic 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 materialprops isotropic 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11Utility workplane localcoord systems createlocalCS atspecifiedloc 在ANSYS输入窗口中 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Utility select entities elements byattributes material2Preproc move modify modifyattrib在选择框内选择 PickAll 选择OK 1 125 在模型侧边施加通量平行边界条件 Preproc loads apply boundary fluxpar l onlines进行求解Solu electromagnetic opt 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 ALNICO5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 磁性离合器 转子 1 134 性质定子和转子磁体 Hc 750 000A mBr 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 materialprops isotropic 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Utility workplane localcoord systems createlocalCS atspecifiedlocation 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Utility plotcntrls symbols 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Preproc loads apply boundary fluxparl onlines 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半径上节点进行耦合Preproc coupleDOFs 在选择框选择pickALL 选择OK 1 142 激活总体坐标系Utility workplane changeactiveCS globalCS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Preproc loads boundary periodicBCs 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Preproc loads apply flag comp 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Solu electromagnet opt solv 磁力线图 1 147 计算力矩Postproc elect magcalc comp 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Postpro elec magcalc circulartorq 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ARMATURE选择节点组件CE N应用约束方程生成器Preproc coupling ceqn adjacentregions 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 loads apply boundary flux par l onnodes 选择pickall 生成约束方程 1 157 对衔铁施加力边界条件标志Preprocessor Loads Apply Magnetic Flag CompForce 选择OK 产生运动后 衔铁力标志仍然有效 1 158 执行求解全部激活Solu electromagnet opt solve图示磁通密度Postproc plotresults nodalsolution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Postpro elec magcalc comp 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Preproc move modify areas 选择pickALL 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Preproc couple ceqn delconstreqn 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Postpro elec magcalc comp 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 1E6A 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 1 170 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 0023m 2 3mm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 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 空气 铁 1 188 性质导体 r 1 17 1 mm空气 r 1槽材料 完全导磁材料励磁1安培 峰值 交流电流初始相位为0度 空气 铁 导体 1 189 因为电流加在整个导体截面上 要求VOLT自由度耦合建立两种单元类型空气为1号单元类型导体为2号单元类型 具有VOLT自由度Preproc elementtype add edit delete 导体为2号单元类型 平面 选择OK 1 190 建立空气材料 MURX 1 性质 1号材料 Preproc materialprops isotropic 用Apply来选择 建立导体材料 MURX 1andRSVX 17 1E 9 性质 2号材料 Preproc materialprops isotropic 选择OK 1 191 为建模输入参数A 6 45mmB 8 55mmC 8 45mmD 18 85mmE 8 95mm 用二者之一1 窗口命令2 Utility parameter scalar 输入参数后选择Accept 1 192 选择Apply建立导体上半部份 建立导体下半部份Preproc create rectangle bydimensions 把上下导体连成一个平面Preproc operate add areas PickAll 1 193 建空气间隙 利用glue操作连接两个平面Preproc operate glue areas选择PickAll 选择OK 1 194 空气区域属性的缺省值为1号材料和1号单元给导体赋属性Preproc Attributes define pickedareas 选择导体 选择OK 1 195 生成网格Preproc mesh areas freemesh选择PickAll 打开材料号显示 1 196 模拟端部条件需要耦合电压 VOLT 自由度选择导体节点 1 197 进行耦合Preproc coupling ceqn coupleDOFs 耦合显示符号 主节点 选择OK 1 198 空气隙上部加通量平行条件Preproc loads apply boundary fluxpar l onlines 1 199 利用 001系数来缩放模型 使其单位制从毫米变化到米选择整个模型Preproc operate scale areas 选择OK 1 200 给导体加峰值电流 安培 Preproc loads apply electric excitation onkeypoints选取导体的任一个关键点给该点加上1安培峰值电流 选择谐波分析类型Solution newanalysis 选择Harmonic 1 201 设置分析的交变频率Solution time frequenc freq substeps 终止频率 允许模拟多个频率 多个频率模拟时 确保相同频率激励 确定 模拟 中间频率分段数 1 202 进行模拟Utility select everythingSolution currentLS 选择OK 1 203 后处理可处理两个解检察外加电流时的同相场 实数解 Postproc byloadstep 选择OK 1 204 电流分布选择导体Postproc elec magcalc current 对于实数解 磁力线图示Postproc plotresults 2Dfluxlines 1 205 利单元表数据JT 实数解 看电流等值图Postproc plotresults elemtable 1 206 检察与外加电流相差90度相位的场量 虚数解 Postproc byloadstep 选择OK 1 207 磁力线图示Postproc plotresults 2Dfluxlines 电流分布选择导体Postproc elec magcalc current 虚数解 1 208 Postproc plotresults elemtable 虚数解 选择OK 1 209 计算导体中的功率损失Postproc elec magcalc powerloss 功率损失为单位导体长度 结果以参数方式贮存 可用命令Utility parameter scalar来观察 1 210 图示功率损失Postproc plotresu