电磁场分析指南第十一章磁宏

1、第十一章 磁宏11.1 什么是电磁宏电磁宏是ANSYS宏命令，其主要功能是帮助用户方便地建立分析模型、方便地获取想要观察的分析结果。目前，ANSYS提供了下列宏命令，可用于电磁场分析：·CMATRIX：计算导体间自有和共有电容系数·CURR2D：计算二维导电体内电流·EMAGERR：计算在静电或电磁场分析中的相对误差·EMF：沿预定路径计算电动力（emf）或电压降·FLUXV：计算通过闭合回路的通量·FMAGBC：对一个单元组件加力边界条件·FMAGSUM：对单元组件进行电磁力求和计算·FOR2D：计算一个体上的磁

2、力·HFSWEEP：在一个频率范围内对高频电磁波导进行时谐响应分析，并进行相应的后处理计算·HMAGSOLV：定义2-D谐波电磁求解选项并进行谐波求解·IMPD：计算同轴电磁设备在一个特定参考面上的阻抗·LMATRIX：计算任意一组导体间的电感矩阵·MAGSOLV：对静态分析定义磁分析选项并开始求解·MMF：沿一条路径计算磁动力·PERBC2D：对2D平面分析施加周期性约束·PLF2D：生成等势的等值线图·PMGTRAN：对瞬态分析的电磁结果求和·POWERH：在导体内计算均方根（RMS）能量损

3、失·QFACT：根据高频模态分析结果计算高频电磁谐振器件的品质因子·RACE：定义一个“跑道形”电流源·REFLCOEF：计算同轴电磁设备的电压反射系数、驻波比、和回波损失·SENERGY：计算单元中储存的磁能或共能·SPARM：计算同轴波导或TE10模式矩形波导两个端口间的反射参数·TORQ2D：计算在磁场中物体上的力矩·TORQC2D：基于一个圆形环路计算在磁场中物体上的力矩·TORQSUM：对2-D平面问题中单元部件上的Maxwell力矩和虚功力矩求和本章对这些宏有详细描述。在ANSYS命令手册和理论手册对这

4、些宏有更详细的描述。下面的表格列出了这些电磁宏的使用范畴。电磁宏前处理器求解后处理器时间历程MVP域MSP域2D平面2D轴对称3D棱边方法高频静态谐波瞬态耦合CMATRIXYY-YYY-YCURR2D-Y-Y-YYY-YYY-EMAGERR-Y-YYYYYY-YYY-EMF1- -Y-Y- Y-YFLUXV- Y-Y-YYY-YYY-FMAGBCYY- YYYYYY- Y-YYFMAGSUM1- YY- YYYYY-Y- YYFOR2D- Y-Y-YY- -Y-Y-HFSWEEP-Y-Y- -HMAGSOLV-Y-Y-YY- - Y-IMPD- Y-Y- -LMATRIXYY- -YYYYYY

5、-Y-MAGSOLVYY- -YYYYYY-Y-Y-MMF- Y-YYYYYYYYYY-PERBC2DY-Y-Y-YYY-PLF2D- Y-Y-YY- -YYY-PMGTRAN- -YYYYYYY-Y-POWERH- Y-Y-YYYYY-Y- -QFACT- Y-Y- -RACEY-Y- -Y-Y22-REFLCOEF- Y-Y- -SENERGY- Y-YYYYY- YYY-SPARM- Y-Y- -TORQC2D- Y-Y-Y-YYY-TORQ2D- Y-Y-Y-Y-Y-TORQSUM- Y-Y-Y-YYY-1这些宏也应用于静电场问题2能用在通过界面单元INTER115连接的MVP区域11

6、.2 使用电磁宏电磁宏根据其实现的功能，可以分为如下四类：·建模类·求解类 ·后处理类·高频分析类磁宏 建模类有三个宏可用作帮助建模：RACE、PERBC2D和FMAGBC1）RACE产生一个由条形和弧形基元（SOURCE36单元）组成的“跑道”形电流源命令：RACEGUI：Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Racetrack CoilMain Menu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Magnetic-Excitation>R

7、acetrack CoilRACE宏要求的参数如前面图1所示。“跑道”由二个参数XC和YC定位，这些值是在工作平面内分别沿X和Y轴到线圈厚度中点的距离。执行该宏时，可以把构成线圈的这些SOURCE36单元定义为一个部件，将部件名作为该宏的一个输入参数即可。2）PERBC2D宏通过生成两个周期性对称面所必须的约束方程或节点耦合来施加周期对称边界条件，调用该宏的方式如下：命令：PERBC2DGUI：Main Menu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Magnetic-Boundary>-Vector Poten- Periodic B

8、Cs下面的图形描述了该宏的三种选项型式：奇对称选项表示一个半周期对称条件，偶对称条件表示全周期对称条件（重复结构）。3）FMAGBC用于对单元组件施加Maxwell面标志和虚功边界条件：命令：FMAGBCGUI：Main Menu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Magnetic-Flag> CompForce/TorqMain Menu>Solution>Apply>Comp. Force/Torq 求解类有四个宏可帮助求解：MAGSOLV, HMAGSOLV, CMATRIX和LMATRIX.1MAGSOLV

9、MAGSOLV宏对大多数静磁分析问题能很快地定义求解选项并开始求解。它可应用于2D和3D模型，标量势法、矢量势法和棱边单元求解方法，以及线性和非线性分析。该宏不需要用户使用MAGOPT命令和二步或三步求解顺序（一定情况所要求），它也允许定义非线性收敛标准，并提供选项来控制电流源Biot-Savart积分的重新计算。命令：MAGSOLVGUI：Main Menu>Solution>-Solve-Electromagnet>-Static Analysis-Opt&Solv.2HMAGSOLVHMAGSOLV宏对谐波分析能很快定义求解选项和开始求解。对2-D模型，它使用磁

10、矢势（MVP）方法求解。它可用于线性和非线性分析。对于非线性分析，此宏不需要定义二步求解过程，并允许用户自己定义收敛标准。用下列方法之一，调用HMAGSOLV宏：命令：HMAGSOLVGUI：Main Menu>Solution>-Solve-Electromagnet>-Harmonic Analys-Opt&Solv .3 CMATRIXCMATRIX可计算“对地”和“集总”电容矩阵。“对地”电容值表示一个导体的电荷与导体对地电压之比。“集总”电容值表示二个导体之间的电容值。实例详见多导体系统求取电容和本手册电容计算实例（命令方法）。详细情况见ANSYS理论手册第

11、五章。用下面方法之一，调用CMATRIX宏命令：命令：CMATRIXGUI：Main Menu>Solution>Solve-Electromagnet>Capac Matrix.4 LMATRIXLMATRIX宏可以计算任意线圈组中每个线圈的微分电感矩阵和总磁链。参见ANSYS理论手册第5章。LMATRIX宏用于在静磁场分析的一个“工作点”上计算任意一组导体间的微分电感矩阵和磁链。“工作点”被定义为在系统上加工作（名义）电流所得到的解，该宏命令既可用于线性求解也可用于非线性求解。必须用波前求解器来计算“工作点”的解。LMATRIX宏的计算依赖于对工作点进行求解的过程中建立的

12、多个文件。该宏在执行求解之前在这些文件前面加一个前缀OPER来重命名文件，并在完成求解后自动保存这些文件。用户自己也可以保存这些文件的拷贝以进行备份。该宏命令返回一个N×N1矩阵参数，N×N部分表示N-绕组系统的微分电感值，此处N表示系统中的线圈数。N1列表示总磁链。第I行表示第I个线圈。另外，电感矩阵的值还以文本文件的格式输出，以供外部使用。文件中第一个列表表示每个线圈的磁链。第二个列表表示微分电感矩阵的上三角部分。命令：LMATRIXGUI：Main Menu>Solution>-Solve-Electromagnet>-Static Analysis

13、-Induct Matrix在调用LMATRIX宏之前，还需要给线圈单元赋一个名义电流值。对于使用磁矢势（MVP）法或基于棱边元方法进行求解的静磁分析，可以使用BFV、BFA或BFE命令来给线圈单元赋名义电流（以电流密度的方式）。对于使用简化标势法（RSP）、差分标势法（DSP）和通用标势法（GSP）的静磁分析，可以使用SOURCE36单元的实常数来给线圈单元赋名义电流。为了使用LMATRIX宏，必须事先用*DIM命令定义一个N阶数组，N为线圈数，数组的每行都表示一个线圈。数组的值等于线圈在工作点时每匝的名义电流值，且电流值不能为零，当确实有零电流时，可以用一个很小的电流值来近似。另外，还需用

14、CM命令把每个线圈的单元组合成一个部件。每组独立线圈单元的部件名必须是用一个前缀后面再加线圈号来定义。一个线圈部件可由标量（RSP/DSP/GSP）或矢量单元（MVP）混合组成，最重要的一点是这些单元的激励电流与前面数组中所描述的电流相同。在LMATRIX宏中需定义一个用于保存电感矩阵的数组名，用LMATRIX宏的对称系数（symfac）来定义对称性。如果由于对称性而只建了n分之一部分模型，则计算出的电感乘以n就得到总的电感值。当工作点位于BH曲线的弯点处时，切向磁导率变化最快，会导致计算的感应系数随收敛标准而变化。为了获得更加准确的解，收敛标准要定义得更加严格一些，不仅仅是缺省值1.0

15、15;103。一般在执行MAGSOLV命令时，选择1.0×104或1.0×105。在使用LMATRIX命令前，不要施加（或删除）非均匀加载，非均匀加载由以下原因生成：·自由度命令(D, DA,等)在节点或者实体模型上定义非0值·带有非0约束的CE命令不要在不包含在单元组件中的单元上施加任何载荷(如current) 下面的例子是一个3线圈系统，每个线圈的名义电流分别为1.2、1.5和1.7安/匝，其分析的命令流如下。在这个例子中，数组名为“curr”，线圈部件名前缀为“wind”，电感矩阵的计算值存贮在名为“ind”数组中。值得注意的是，在LMATRIX命

16、令行中，这些名字必须用单引号引起来。*dim，cur，3！3个线圈系统数组cur（1）=1.2！线圈1的名义电流为1.2安培/匝cur（2）=1.5！线圈2的名义电流为1.5安培/匝cur（3）=1.7！线圈3的名义电流为1.7安培/匝esel，s！选择线圈1的单元cm，wind1，elem！给选出的单元赋予部件名wind1esel，s！选择线圈2的单元cm，wind2，elem！给选出的单元赋予部件名wind2esel，s！选择线圈3的单元cm，wind3，elem！给选出的单元赋予部件名wind3symfac=2！对称系数Imaxtrix，symfac，wind，curr，ind ！计算微

17、分电感矩阵和总磁链*stat，ind！列出ind电感矩阵.5 下面是以命令流方式进行的一个计算电感矩阵的例子该例计算一个二线圈系统（永磁电感器件）在非线性工作点下的微分电感矩阵和总磁链，其示意图如下：几何性质：x1=0.1, x2=0.1, x=0.1, y=0.1材料性质：r=1.0（空气），Hc=25（永磁体），B-H曲线（永磁体，见输入参数）线圈1：名义电流0.25安/匝，匝数10线圈2：名义电流0.125安/匝，匝数20目标值：L11=4, L22=16, L12=8命令流如下：/batch,list/title, Two-coil inductor with a permanent

18、magnet/nopr!geometry data!n=1! meshing parameterx=0.1! width (x size) of corey=0.1!hight of core, y size of windowz=1! thickness of iron in z directionx1=0.1! width (x size) of coil 1x2=0.1! width (x size) of coil 2Hcy=25! coercive magnetic field in y directionn1=10! number of turns in coil1n2=20! n

19、umber of turns in coil2!excitation data used by LMATRIX.MAC!symfac=1! symmetric factor for inductance computationnc=2! number of coils*dim,cur,array,nc! nominal currents of coils*dim,coils,char,nc! names of coil components!cur(1)=0.25! nominal current of 1st coilcoils(1)="wind1"! name of c

20、oil 1 component!cur(2)=-0.125! nominal current of 2nd coilcoils(2)="wind2"! name of coil 2 component!auxiliary parameters!mu0=3.1415926*4.0e-7x3=x1+x2! x coordinate right to coil2 leftx4=x3+2*x! x coordinate right to corex5=x4+x2! x coordinate right to coil2 rightx6=x5+x1! x coordinate rig

21、ht to coil1 rightjs1=cur(1)*n1/(x1*y)! nominal current density of coil1js2=cur(2)*n2/(x2*y)! nominal current density of coil2!/prep7et,1,53!mp,murx,1,1! air/coilmp,mgyy,2,Hcy! coercive termBs=2! saturation flux densityHs=100! saturation magnetic fieldTB,BH,2! core: H = Hs (B/Bs)2; BS=2T;HS=100A/m*do

22、,qqq,1,20B=qqq/10*Bstbpt,Hs*(B/Bs)*2,B*enddo!rect, 0,x1,0,y! coil1 leftrect,x1,x3,0,y! coil2 leftrect,x3,x4,0,y! corerect,x4,x5,0,y! coil2 rightrect,x5,x6,0,y! coil1 right!aglue,all!asel,s,loc,x,x1/2! coil 1 volume attributeaatt,1,1,1asel,s,loc,x,x5+x1/2aatt,1,2,1asel,s,loc,x,x1+x2/2! coil 2 volume

23、attributeaatt,1,3,1asel,s,loc,x,x4+x2/2aatt,1,4,1asel,s,loc,x,x3+x! iron volume attributeaatt,2,5,1asel,all!esize,namesh,all!nsel,s,loc,x,x6!flux parallel Dirichlet at symmetry plain, x=x6!homogeneous Neumann flux normal at yoke, x=0d,all,az,0nsel,all!esel,s,real,1! coil 1 left componentbfe,all,JS,j

24、s1! unite current density in coil 1!esel,s,real,2! coil 1 right componentbfe,all,JS,-js1!return unite current density in coil 1!esel,s,real,1,2cm,coils(1),elem!esel,s,real,3! coil 2 left componentbfe,all,JS,js2! unite current density in coil 2!esel,s,real,4! coil 2 right componentbfe,all,JS,-js2!ret

25、urn unite current density in coil 2!esel,s,real,3,4cm,coils(2),elem!allsel!fini!/com/com obtain operating solution/com!/solucnvtol,csg,1.0e-4/out,scratchsolvefini!/post1!/out!/com,/com,senergy,! Stored electromagnetic energysavelen=S_ENGsenergy,1! Co-energysavelce=C_ENG!fini! compute inductancelmatr

26、ix,symfac,"wind","cur","ind", ! compute inductance matrix and flux!/comfinish你将得到如下结果：SUMMARY OF STORED ENERGY CALCULATIONLoad Step Number:1.Substep Number:1.Time:0.1000E+01Material Number ofStored EnergyMaterial DescriptionNumberElements(J/m) .52360E-05LinearIsotrp.2.1

27、.-0.33314E+00Nonlin.MagnetIsotrp._T O T A L5.-0.33313E+00Note:The energy density forthe active elements used in the energycalculation is storedin the element item "MG_ENG" for displayand printing. The totalstored energy is saved as parameter (S_ENG)_本文系e-works专稿，未经授权严禁转载 SUMMARY OF COENERG

28、Y CALCULATIONLoad Step Number:1.Substep Number:1.Time:0.1000E+01Material Number ofCoenergyMaterial DescriptionNumberElements(J/m) .52360E-05LinearIsotrp.33314E+00Nonlin.MagnetIsotrp._T O T A L5.0.33314E+00Note:The co-energy density forthe active elements used in the co-energycalculation is storedin

29、the element item "MG_COENG" for displayand printing. Thetotal coenergy is saved as parameter (C_ENG)_ LMATRIX SOLUTION SUMMARY _Flux linkage of coil1. =0.19989E+01Flux linkage of coil2. =0.39978E+01Self inductance of coil1. =0.39976E+01Self inductance of coil2. =0.15989E+02Mutual inductanc

30、e between coils1. and2. =0.79948E+01Inductancematrix is stored in array parameter ind( 2., 3.)Inductance matrix is stored in file ind.txt 后处理类1）TORQ2D沿一条预先定义好的路径用面积分计算在磁场内一个物体上的力矩。该宏需要定义通过围绕在感兴趣物体周围的空气单元的一条路径，如图6所示。定义路径用PPATH命令（Main Menu>General Postproc>Elec&Mag Calc>Define Path），定义路径时

31、按反时针方向选择节点，这样就可以得到力矩的正确方向。路径必须完全在物体周围的空气域内。该宏只适用于2D分析。命令：TORQ2DGUI：Main Menu>General Postproc>Elec & Mag Calc>Torque2）TORQC2D沿以总座标原点为中心的圆周线（路径）用面积分计算在磁场内一个物体上的力矩，它常用于计算作用在旋转机械上的力矩：命令：TORQC2DGUI：Main Menu>General Postproc>Elec & Mag Calc>Circular TorqTORQC2D宏根据用户定义的半径（RAD）自动

32、生成所需的路径。为了确保得到正确的解，在使用该宏前，只能选择感兴趣圆形体周围的空气单元，如图7所示。3）FOR2D沿一条预先定义好的路径用面积分计算在磁场内一个物体上的力，该宏要求路径定义在感兴趣物体四周的空气中，使用下面的命令或GUI路径实现FOR2D：命令：FOR2DGUI：Main Menu>General Postproc>Elec & Mag Calc>Mag Forces图8显示二个平面分析实例的路径定义。定义路径用PPATH命令（Main Menu>General Postproc>Elec&Mag Calc>Define Pa

33、th），定义路径时按反时针方向选择节点，这样就可以得到力的正确方向。4）MMF宏计算磁动力，磁动力就是沿一条预先定义好的路径（用PATH、PPATH命令或其等效GUI路径定义）对磁场强度H进行线积分。定义路径时按反时针方向选择节点，这样就可以得到MMF的正确方向。MMF宏自动设置PMAP命令的“ACCURATE”映射和“MAT”不连续项。执行宏命令后，ANSYS程序保持PMAP命令的这些设置。如果路径跨越多种材料，则每种材料应至少有1个路径点（如图9（b）。对于高频分析，MMF宏仅对TEM或TM模式有效。命令：MMFGUI：MainMenu>General Postproc>Ele

34、c & Mag Calc>2D and 3D-MMF5）EMF宏计算电动力（emf），电动力就是沿一条预先定义好的路径（用PATH、PPATH命令或其等效GUI路径定义）对电场强度E或电压降进行线积分。它能用在2-D和3-D电流传导分析、静电场分析以及高频电磁场分析中。对于高频分析，EMF宏仅对TEM或TE模式有效。计算出的电动力保存在EMF参数中。在调用EMF宏之前，必须先定义一条路径，该宏采用计算出的电场和路径操作进行电动力计算，当宏执行完毕后，所有路径项都将被清除。EMF宏自动设置PMAP命令的“ACCURATE”映射和“MAT”不连续项。执行宏命令后，ANSYS程序保持P

35、MAP命令的这些设置。命令：EMFGUI：MainMenu>General Postproc>Elec & Mag Calc>-2D and 3D-EMF6）POWERH宏在谐波分析中计算一个导体内的时间平均能量损失。在调用宏之前，必须先选择要进行计算的导体区域的单元。当导体区的单元足够细密时，该宏的计算结果最准确。命令：POWERHGUI：Main Menu>GeneralPostproc>Elec & Mag Calc>-2D and 3D-Power Loss7）FLUXV宏计算通过一个预定义回路的通量。在2-D分析中，路径只少要2个点

36、定义。在3-D MVP分析中，路径必须为一条封闭围线，即第1点和最后一点必须是同一点。定义路径时按反时针方向选择点，这样就可以得到通量的正确方向。下图描述了在2-D和3-D分析中调用FLUXV宏时的路径选择。该宏只能用于磁矢量势法（MVP）的分析中。命令：FLUXVGUI：Main Menu>General Postproc>Elec & Mag Calc>Path Flux8）PLF2D宏显示自由度AZ的等值线，在轴对称分析中，显示的等值线为：半径×AZ=常数。此宏仅适用于2-D分析，等值线是平行于通量线的，它很好地描述了磁通图形。命令：PLF2DGUI：

37、Main Menu>General Postproc>Plot Results>2D Flux LinesUtility Menu>Plot >Results>Flux Lines 9）SENERGY宏计算模型中贮存的磁能和共能。能量密度贮存在单元表中，供图形显示和列表显示用。图11说明如何确定非永磁材料的磁能和共能。对于永磁体，磁能和共能按照如下计算：·能量是曲线右边部分 (参见图12 (a)，注意图示中能量是负值。·共能是曲线下部分(参见图12 (b).线性永磁铁的能量和共能如图12（c）。注意：没有给电路耦合单元(PLANE53或

38、SOLID97的KEYOPT(1) = 3 或 4)定义能量值。按照如下方式激活该宏：命令：SENERGYGUI：Main Menu>General Postproc>Elec & Mag Calc> Co-EnergyMainMenu>General Postproc> Elec & Mag Calc> Energy10）EMAGERR宏对模型中的每个单元计算场量（B、H）的相对误差。该相对误差表示单元计算场值和连续场值之间的平均差。连续场值就是平均节点场值，可以将此误差值针对每种材料计算出的最大节点平均场值作归一化。当计算平均节点连续场值

39、时，该误差估计考虑了材料的不连续性。命令：EMAGERRGUI：Main Menu>General Postproc>Elec & Mag Calc>Error Eval11）CURR2D宏计算2-D模型中流过导体的总电流。这种电流可能是施加的源电流或感应涡流。该宏常用于校核总电流。命令：CURR2DGUI：Main Menu>General Postproc>Elec & Mag Calc>Current12）FMAGSUM宏以表格的形式对作用在物体上的Maxwell和虚功力求和。该物体必须被定义为一个单元组件（通常，在前处理器中，用宏FM

40、AGBC加适合的边界条件以便在求解阶段实现力计算）。命令：FMAGSUMGUI：Main Menu>General Postproc>Elec & Mag Calc>Mag Forces13）TORQSUM宏以表格的形式对作用在物体上的Maxwell和虚功力矩求和。该物体必须被定义为一个单元组件（通常，在前处理器中，用宏FMAGBC加适合的边界条件以便在求解阶段实现力计算）。命令：TORQSUMGUI：Main Menu>General Postproc>Elec & Mag Calc>-2D-Comp. Torque14）PMGTRAN宏对

41、瞬态分析计算并求和单元组件的电磁场数据。能计算的数据包括磁力、功率损失、贮能或总电流。FMAGBC宏计算在前处理器所定义的单元组件上的磁力。SENERGY宏计算贮能，CURR2D宏计算总电流。命令：PMGTRANGUI：Main Menu>Time Hist Postpro>Elec & Mag Calc>Magnetics该宏将求解的数据写到一个文件中，ANSYS程序自动地作出“结果-时间”函数图形并存储在图形文件中，这些图形可以用ANSYS的DISPLAY来观察。 高频分析类下面将要描述的宏仅在高频电磁场分析中能用到。1）HFSWEEP宏在指定的频率范围自动对高频

42、电磁波导进行扫描谐波响应分析。如果需要的话，此宏也能计算散射参数、反射系数和阻抗，它们为频率的函数，以表格或图形方式显示。HFSWEEP宏把输出数据写到HFSWEEP.OUT文件中，把图形写到HFSWEEP.GRPH文件中，可用DISPLAY程序显示这些图形。命令：HFSWEEPGUI：Main Menu>Solution>Electromagnet>Freq Sweep用输入参数Freqa（起始频率）、Freqb（终止频率）和Freqinc（频率增量）来控制扫描分析的频率范围。强烈建议在在真正执行该宏前，用一个频率来进行初始求解，以确保正确地输入了所有的输入参数，可通过只设置Freqa或Freqb来定义一个频率。可以计算高达四个端口的反射参数，通过参数Portin来确定激励端口的号数，其余的端口号数将