ANSYS电磁场培训手册44

第四章

第1节

三维电磁模拟1三维（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2三维（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3三维（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5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6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7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ν-B2

曲线与μ-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8三维（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9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μ-H曲线，保证其是“光滑”的10μ-H曲线线由由下下面面菜菜单单绘绘制制Utility>plot>datatables曲线线上上没没有有波波纹纹，，求求解解收收敛敛性性就就很很好好选择择OK11标量量势势的的激激励励是是基基于于Biot-Savart计算算的的，，使使用用预预先先定定义义的的线线圈圈形形状状-sourc36单元元。。因因此此，，对对应应于于线线圈圈或或杆杆导导体体的的有有限限元元区区域域不不必必直直接接建建模模（（象象二二维维磁磁矢矢势势分分析析那那样样））sourc36单元元的的帮帮助助文文件件中中对对线线圈圈原原型型定定义义12线圈圈原原型型常常用用于于某某些些类类型型的的致致动动器器，，但但多多数数情情况况下下，，该该线线圈圈以以ARC型和和BAR型相相组组合合构构成成“跑道道”形线线圈圈本章章后后面面对对此此有有详详细细描描述述ARC型构构成成跑跑道道形形线线圈圈转转角角BAR型构构成成跑跑道道形形线线圈圈直直边边13sourc36单元元定定义义它们们不不要要求求连连接接成成连连续续单单元元三个个节节点点用用于于定定义义线线圈圈原原型型的的取取向向和和一一个个特特征征长长度度在单单元元实实常常数数中中定定义义导导体体厚厚度度和和电电流流（（安安匝匝数数）），，模模型型中中所所用用厚厚度度相相应应于于导导线线位位置置而而不不是是绝绝缘缘厚厚度度电流流流流向向对于于图图示示线线圈圈：：线圈圈长长度度:.05m厚度度.02m线圈圈中中间间点点半半径径.10m取向向:沿沿+Z安匝匝数数:1,50014单元元的的节节点点：：节点点K处于于线线圈圈中中心心位位置置即即节节点点1(0,0,0)节点点I处于于线线圈圈中中间间半半径径位位置置即即节节点点2(0.1,0,0)节点点J决定定了了线线圈圈取取向向的的定定义义，，即即节节点点3(0,0.1,0)生成成单单元元前前需需要要定定义义sourc36单元元，，该该单单元元无无单单元元类类型型选选项项Preproc.>elementtype>add/edit/delete[ADD]线圈圈实实例例NodeJNodeINodeK箭头头方方向向定定义义电电源源取取向向（（右右手手定定则则15单元元实实常常数数设设置置号号应应该该是是唯唯一一的的，，或或其其它它相相同同线线圈圈一一致致。。实实常常数数应应在在生生成成单单元元前前定定义义。。Preproc>realconstants选择择ADD选择择sourc36单元元类类型型.选择择OK16完成成线线圈圈定定义义选择择sourc36原型型必须须为为与与单单元元相相对对应应的的实实常常数数安匝匝数数，，方方向向由由前前面面幻幻灯灯片片中中的的红红箭箭头头所所示示线圈厚厚度线圈轴轴向长长度DY、、DZ的单位位制要要与模模型一一致选择OK17先生成成单元元前，，要设设置单单元属属性Preproc>create>elements>elemattributes单元类类型实常数数（如如前面面幻灯灯片所所定义义的））人工生生成单单元（（不用用自动动生成成网格格）Preproc>create>elements>-autonumbered-thrunodes(顺次选选取节节点2,3和1））如果要要根据据实常常数中中设置置的尺尺寸来来显示示线圈圈图形形，则则图形形设置置必须须变更更。Utility>plotctrls>style>sizeandshape选择OK18在某些些情况况下，，要求求将“增强图图形”方式转转换为为“全图形形”方式Utility>plotctrls>style>hiddenlineoptions箭头长长度由由绘图图控制制选项项控制制PlotCtrls>style>vectorarrowscaling注：在在标准准工具具栏中中可直直接设设置“增强图图形”（将其其关闭闭）19利用改改变实实常数数数据据可改改变线线圈特特征Preproc>realconstants选择EDIT(初始生生成的的设置置）将0.05改为为0.1选择OK20应建完完整的的线圈圈组模模型实际上上有例例外线圈远远离铁铁芯区区域，，对铁铁芯内内磁场场产生生不重重要的的影响响模型中中只建建立了了2个个极和和1/2轴向长长度21标量列列式包包括三三种型型式的的标量量势，，每一一种适适用于于特定定的物物理区区域。可以采采用简简化标标量势势(RSP)的物理理区域域有:铁磁区区和永永磁体体无线圈圈的铁铁磁区区域无铁磁磁介质质的线线圈22RSP优点:模拟分分析为为单步步求解解相对于于其它它标量量方式式，其其计算算量最最小RSP缺点:“数值相相消”使RSP方法在在铁磁磁模型型内不不能使使用sourc36单元励励磁23RSP方法适适用于于模拟拟含有有铁空空气界界面和和永磁磁体的的系统统———分析析目的的为确确定转转矩与与转角角的关关系10极迭片片电机机的2极，，每极极锥角角为15度度24差分标标量势势(DSP)方法可可用于于模拟拟:线圈与与铁磁磁介质质区相相连永磁体体无铁磁磁区的的线圈圈限制：：模型型几何何体必必须满满足单单连通通条件件。当铁芯芯磁导导率接接近于于无限限大则则铁介介质中中磁场场强度度接近近零时时，可可确定定为单单连通通（致致动器器、具具有空空气隙隙电机机等））缺点:求解为为二步步过程程25直线加加速器器的C形磁体体气隙线圈产产生磁磁场控控制带带电粒粒子运运动带电粒粒子运运动这是一一个当当铁芯芯磁导导率变变得很很大时时，磁磁场强强度接接近零零的实实例26DSP方法适适合于于模拟拟含有有铁和和空气气界面面以及及sourc36单元电电流源源的系系统，，分析析目的的是确确定在在指定定定子子电流流形式式时转转矩与与转角角的关关系10极电机机的两两极模模型三相电电机的的绕组组截面面27通用标标势法法适用用的物物理模模型:Sourc36单元可可与铁铁磁区区相连连磁体励励磁通量条条件可可以定定义通通量（（Webers）可在无无铁芯芯介质质的模模型采采用Sourc36单元限制：：模型型几何何体必必须满满足多多连通通条件件若当铁铁介质质磁导导率为为无限限大时时，铁铁芯内内磁场场并不不接近近零，，则可可确定定为满满足多多连通通条件件（变变压器器、导导磁体体、具具有多多通量量路径径的模模型等等）缺点：：要分三三步求求解28闭合磁磁路电电感线线圈实例：：当铁铁芯磁磁导率率变大大时磁磁场不不为零零（多多连通通）29模拟远远场区区域的的模型型有二二种远远场边边界单单元(infin47和infin111)infin47这是一一个“壳”形单元元，可可用“esurf”生成模型外外表面面不要要求设设置其其它标标志远场自自由空空间从帮助助（Help））查看infin47单元30infin111砖型单单元本单元元比使使用infin47更精确确单元的的外表表面要要求设设置标标志Preproc>loads>apply>flags>-infinitesurface-onareas中间节节点适适用于于具有有中间间节点点的六六面体体单元元（solid98)31单元边边列式式是一一种最最先进进的用用于模模拟三三维（（3D）复杂铁铁磁模模型的的计算算方法法自由度度：AZ(VOLT用于交交流或或瞬态态分析析）通量垂垂直条条件:这是自自然边边界条条件，，不要要求施施加。。这种种条件件加到到模型型边界界，不不用约约束和和耦合合通量平行边边界条件AZ自由度必须须加约束模拟时使用用BH曲线ν-B2曲线必须确确认为“光滑”中间节点32利用线圈励励磁的模型型与二维（（2D）模拟相似：：线圈区域域必须为有有限元网格格.电流