ansys电磁场分析教程chapter-3-1ppt课件

1、2-D交流和瞬态分析交流和瞬态分析1交流模拟是一种随时间变化的模拟假定励磁为正弦波角角 (度度)励磁电压励磁电压 (V) 电流密度电流密度 (A/m2) 2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3通量平行条件通量垂直条件通量垂直条件绞线圈绞线圈二维轴对称有限元模型二维轴对称有限元模型电流密度电流密度: 1E6 A/m2 频率频率: 100Hz导电杆导电杆4二种求解结果:实数解: 线圈励磁相位0度虚数解：相位差90度实数解实数解虚数解虚数解5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：执行动画文件：acaz.avi观察场动

2、画观察场动画6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执行动画文件acjt.avi ，观察电流动画，观察电流动画7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8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中心杆外半径杆外半径(m)9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

3、 / =电阻率 (Ohm-m)f = 频率(Hz)10导电杆取下列数据: = 100 00 = 1.2566E-6 (H/m)= 2E-7 (Ohm-m)f = 100 (Hz) 代入代入, =(3.1415)(100)(1.2566E-6)(.5E+7)(100) -1/2 =.0023 m =2.3 mm与图形相对应，从外半径与图形相对应，从外半径7.7mm向内向内2.3mm，由于轴对称形状，由于轴对称形状的影响，电流衰减值大于表面电流值的的影响，电流衰减值大于表面电流值的1/e (2.71) 。11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

4、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12(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13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典型应用:变压器中的大导体变压器中的大导体鼠笼电机导电杆鼠笼电机导电杆感应加热感应加热14BSUM (T)MX电流密度幅值电流密度幅值 (A/m2)MX导电杆导电杆在绞线圈内的圆柱形导电杆上能观察到涡流效应在绞线圈内的圆柱形导电杆上能观察到涡流效应15(3) 终端条件

5、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 ?三维导体终端连接三维导体终端连接二维模型二维模型16端部短路条件不用任何对称条件，只模拟导体一部分:三维导体终端连接三维导体终端连接部分导体不建模部分导体不建模二维模型二维模型17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三维导体在终端开路二维模型二维模型18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19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

6、， 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。20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叠片磁通方向磁通方向21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磁通方向叠片叠片22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

7、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 导体导体空气空气铁铁23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度空气空气铁铁 导体导体 24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Preprocelement typeadd/edit/delete导体为导体为2号单元类型号单元类型平面平面 选择选择 OK25建立空气材料(MURX =1) 性质1号材料）Preprocmaterial propsis

8、otropic (用Apply 来选择)建立导体材料(MURX =1 and RSVX=17.1E-9) 性质2号材料）Preprocmaterial propsisotropic选择选择 OK26为建模输入参数A = 6.45 mmB = 8.55 mmC = 8.45 mmD = 18.85 mmE = 8.95 mm用二者之一用二者之一1) 窗口命令窗口命令2) Utilityparameterscalar输入参数后选择输入参数后选择Accept 27 选择选择 Apply 建立导体上半部份建立导体上半部份 建立导体下半部份建立导体下半部份Preproc createrectangleb

9、y dimensions 把上下导体连成一个平面把上下导体连成一个平面Preprocoperateaddareas Pick All28建空气间隙 利用利用glue 操作连接两个平面操作连接两个平面 Preprocoperateglueareas 选择选择 Pick All 选择选择 OK29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-definepicked areas (选择导体) 选择选择 OK30生成网格Preprocmesh-areas-free mesh选择Pick All打开材料号显示打开材料号显示31模拟端部条件需要耦合电压VOLT

10、自由度选择导体节点32 进行耦合Preproccoupling/ceqncouple DOFs耦合显示符号耦合显示符号主节点主节点 选择选择 OK33空气隙上部加通量平行条件 Preprocloadsapplyboundaryflux parlon lines34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Preprocoperatescaleareas 选择选择 OK35给导体加峰值电流安培）Preprocloadsapply-electric-excitationon keypoints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选择谐波分析类型 So

11、lutionnew analysis (选择选择Harmonic)36设置分析的交变频率Solutiontime/frequencfreq & substeps终止频率：允许模拟终止频率：允许模拟多个频率多个频率多个频率模拟时，确保相同频率激励多个频率模拟时，确保相同频率激励确定模仿中间频率分段数确定模仿中间频率分段数37进行模拟UtilityselecteverythingSolutioncurrent LS 选择选择 OK38后处理可处理两个解检察外加电流时的同相场 (实数解 )Postprocby load step 选择选择 OK39电流分布电流分布选择导体选择导体 Postp

12、rocelec&mag calccurrent磁力线图示Postprocplot results2D flux lines40利单元表数据JT （实数解看电流等值图Postprocplot resultselem table41检察与外加电流相差90度相位的场量虚数解）Postprocby load step 选择选择 OK42磁力线图示Postprocplot results2D flux lines电流分布电流分布选择导体选择导体 Postprocelec&mag calccurrent43Postprocplot resultselem table (虚数解) 选择选择

13、OK44计算导体中的功率损失 Postprocelec&mag calcpower loss功率损失为单位导体长度功率损失为单位导体长度结果以参数方式贮存，可用命令结果以参数方式贮存，可用命令 Utilityparameterscalar来观察来观察45图示功率损失Postprocplot resultselem table (PLOSSD) 选择选择 OK46例题描述轴对称加载电压绞线型线圈屏蔽极是一个圆环分析顺序建模加边界条件和载荷进行模拟后处理时间平均力屏蔽极功率损失线圈阻抗 Z = V / I = Re + jRi47Units: m材料性质:线圈: 铜直流电阻: 12 400

14、 匝, 32 线径 = 17.1 -mm 铜环: r = 1 = 17.1 -mm空气: r = 1 定子和衔铁: 铁素体r = 1000 1 -m励磁: 24 V RMS AC 模型: 轴对称48物理区域描述屏蔽极圆环是连续的截面电流不为零.线圈线圈由小于32线径导线组成，细绞线忽略集肤效应.铁芯区 (衔铁和定子)导磁电阻太大而不计涡流.49利用acsolen.mac宏建模未图示空气单元线圈属性单元类型: 设置2号单元(Plane53)线圈要求电压供电实常数设置设置 4要求相应于直流电阻12欧姆的线圈400 匝50屏蔽环属性连续圆环：短路状态单元类型: 1号单元(Plane53)资料设置 4

15、电阻率 RSVX定子非导体）单元类型: 1号单元 (Plane 53)材料号 2衔铁非导体）单元类型: 1号单元 (Plane 53)材料号3Shading ring51为了确定自由度，可查询Help UtilityHelpT of Canalysis guideElectromagneticHarmonic52确定线圈单元类型选项 Preprocelement typeadd/edit/dele 选择选择 OK 选择选择 Options53空气空气定子定子衔铁衔铁线圈线圈屏蔽圆环屏蔽圆环证实材料性质证实材料性质54建立电阻为12欧姆、400匝的轴对称线圈的实常数数据实常数数据要求:线圈模型横

16、截面(Ac)单位: m2线圈匝数400）填充系数 (CF) CF = Aw / Ac Aw = 铜线总截面积不包括绝缘层） 单位: m255 将面积输入参数将面积输入参数ACOND Utilityparametersget scalar 选择选择 OK求得线圈的截面积选择线圈平面计算线圈截面积Preprocoperatecalc geom itemsof areasOK 56输入参数名输入参数名选择 OK由Utilityparametersscalar菜单证实参数57线圈填充系数必须由匝数、电阻率和面积组成，从而得12欧姆的线圈直流电阻轴对称矩形线圈填充系数 Cf 表达式为 式中 = .172

17、41E-7N = 400Ac = ACOND 参数Xc = 线圈横截面质心径向距离质心径向尺寸Xc可输入XCOND参数 2XcN2 Ac RcoilCf = 58Utilityparametersget scalar 选择选择 OK 选择选择 OK输入参数名输入参数名59 选择选择 Accept 线圈填充系数线圈填充系数CF由由Utilityparameters菜单计算菜单计算 许多致动器设计都在同一窗口并联多个线圈，如果只对一个线圈进行模拟许多致动器设计都在同一窗口并联多个线圈，如果只对一个线圈进行模拟，则只要求建立这一个线圈的模型，这导致填充系数看起来很低，则只要求建立这一个线圈的模型，这

18、导致填充系数看起来很低60假设线径和匝数已选定线圈电阻未知）查找本线规的总截面积线径32， Aw = .0324 mm2 Cf = 铜的总截面积/线圈截面积Cf = 400 (.0324) (1E-6) / 6.6E-5 = .19661为线圈建立4号实常数Preprocreal constants选择选择 Add 选择选择 OK62输入线圈实常数数值，选择选择 OK应用下列菜单列出实常数应用下列菜单列出实常数 Utilitylistpropertiesall real constants63线圈区域需要对全部节点的CURR自由度值相同由于电流守恒，流进线圈的电流必须等于流出的电流值）线圈区域

19、耦合节点选择线圈区域全部节点Preproccouplingcouple DOF Pick All 选择选择 OK必须是一个新的必须是一个新的设置参数号设置参数号64利用APDL 可以获得当前的最大耦合设置号Utilityparametersget scalar data输入参数名输入参数名 选择选择 OK输入的耦合组号应输入的耦合组号应是是CP_MX+1 选择选择 OK65加上电压励磁Preprocloadsapply-voltage drop- on areas选择线圈区域面积）选择OK峰值电压峰值电压66沿模型边缘加通量平行边界条件Preprocapplyboundary-flux par

20、l- on lines选择模型边缘上的全部线 衔铁组件施加力标志衔铁组件施加力标志 Preprocapplyflagcomp. force 选择选择 OK67选择分析类型，进行模拟Solunew analysis 选取谐波分析设置激励频率60 Hz）Solu time/frequencfreq & substps 选择选择 OK 开始求解开始求解 Solusolve current ls 选择选择 OK68AC模拟实际上可得两组结果数据节点和单元的与激励同相的场量结果实数解）节点和单元的与激励相差90度相位的场量结果虚数解）读入虚数解Postprocby load step.选择选择

21、OK69得到虚数解磁力线（虚数部分场量为缺省条件) Postprocplot results2D flux lines在气隙和铜环在气隙和铜环附近的附近的BSUM (总磁通密度总磁通密度)70实数部分磁力线加载实数解结果. Postprocby load step 选择选择 OK71在铜环和气在铜环和气隙区附近的隙区附近的BSUM 72获取时间平均衔铁磁力 Postprocelec&mag calccomp. force 选择选择 OK频率频率(Hz)由虚功法计算的力由虚功法计算的力Maxwell应力张量法计算的力应力张量法计算的力73确定屏蔽极铜环功率损失选择铜环单元材料号5） Postprocelec&mag calcspower loss图示环内功率损失图示环内功率损失 Postprocplot resultselem table74利用单元表利用单元表ERES 选项，可观察到线圈直流电阻，该值贮存于序列号选项，可观察到线圈直流电阻，该值贮存于序列号8内内见见PLANE53单元的帮助文档）单元的帮助文档）选择线圈区域（选择线圈区域（ COIL组件）组件）定义单元表定义单元表ERES，选择，选择ADDPostprocelement tabledefine table ADD 选择选择 OK75 通过求和线圈全部单元的电阻ERES，得到总的电阻值Postpro