第十六章 电路分析

本文格式为Word版，下载可任意编辑——第十六章电路分析第十六章电路分析

16.1什么是电路分析

电路分析可以计算源电压和源电流在电路中引起的电压和电流分布。分析方法由源的类型来决定：源的类型分析方法

交流（AC）谐波分析直流（DC）静态分析随时间变化瞬态分析

要在电磁学分析中用有限元来模拟全部电势，就必需提供足够的灵活性来模拟载流电磁设备。ANSYS程序对于电路分析有如下性能：

·用经过改进的基于节点的分析方法来模拟电路分析·可以将电路与绕线圈和块状导体直接耦合·2-D和3-D模型都可以进行耦合分析·支持直流、交流和时间瞬态模拟

ANSYS程序中先进的电路耦合模拟功能确切地模拟多种电子设备，：·螺线管线圈·变压器·交流机械16.2使用CIRCU124单元

ANSYS提供一种通用电路单元CIRCU124对线性电路进行模拟，该单元求解未知的节点电压（在有些状况下为电流）。电路由各种部件组成，如电阻、电感、互感、电容、独立电压源和电流源、受控电压源和电流源等，这些元件都可以用CIRCU124单元来模拟。

注：本章只描述CIRCU124单元的某些最重要的特性，对该单元的详细描述参见《ANSYS单元手册》。16.2.1可用CIRCU124单元模拟的电路元件

对CIRCU124单元通过设置KEYOPT（1）来确定该单元模拟的电路元件，如下表所示。例如，把KEYOPT（1）设置为2，就可用CIRCU124来模拟电容。对所有的电路元件，正向电流都是从节点I流向节点J。

表1CIRCU124单元能模拟的电路元件

电路元件及其图形标记电阻（R）电感（L）KEYOPT（1）设置01R2=起始电感电流（ILO）R1=电容（CAP）电容（C）2R2=起始电容电压（VCO）互感（K）8R1=初级电感（IND1）实常数R1=电阻（RES）R1=电感（IND）1

R2=次级电感（IND2）R3=耦合系数（K）电压控制电流源（G）电流控制电流源（F）电压控制电压源（E）电流控制电压源（H）绕线圈电流源（N）2D块状导体电压源（M）3D块状导体电压源（P）9121011567R1=互导（GT）R1=电流增益（AI）R1=电压增益（AV）R1=互阻（RT）R1=系数（SCAL）R1=系数（SCAL）R1=系数（SCAL）注意：全部的电路选项如上表和下图图1所示，ANSYS的电路建模程序自动生成以下实常数：R15（图形偏置，GOFFST）和R16（单元识别名，ID）。本章下一节将详细探讨电路建模程序。

2

下图显示了利用不同的KEYOPT（1）设置建立的不同电路元件，那些靠近元件标志的节点是“浮动〞节点（即

它们并不直接连接到电路中）。

16.2.2CIRCU124单元的载荷类型

对于独立电流源和独立电压源可用CIRCU124单元KEYOPT（2）选项来设置鼓舞形式，可以定义电流或电压的正弦、脉冲、指数或分段线性鼓舞。详细的载荷函数图和相应的实常数请参见《ANSYS单元手册》。

16.2.3将FEA（有限元）区耦合到电路区

可将电路分析的三种元件耦合到FEA区，图2所示的这三种元件直接连接到有限元模型的导体上（耦合是在

矩阵中进行耦合的，因此只能为线性的）：

在绞线圈连接中不能存在涡流，磁矢势（MVP）和电流决定线圈电压，连接的电路方程为：

上述方程中，Rc为线圈电阻，nc为匝数，Sc为线圈横截面积

在块导体连接中可以考虑集肤效应，导体中的MVP和电压决定总电流，连接的电路方程为：

3

上述方程中，LC是导体长度，ΔV是电压降。

ANSYS程序通过电路元件和FEA导体单元上两个附加的自由度来达到耦合的目的，这些自由度特性如下：·CURR—流过电路和模型导体的电流

·EMF—模型导体（2D绞线圈、2D块导体和3D线圈导体）的电压降·VOLT—3D块状导体内的电位16.3使用CIRCU125单元

可以用CIRCU125单元为通用二极管和齐纳二极管建模。使用此单元时，请注意：

·在二极管任何状态下，其I-U曲线的分段线性特性对应于一个Norton等效电路，这个等效电路有一个动态阻抗(在工作点反向倾斜)和一个电流源（在I-U曲线的切线和I轴相交）。

·假使电压降比二极管（寻常是理想二极管）的导通电压低好多，则在提取由单元misc记录号提供的单元电压降、电流、焦耳热损耗计算数据时会提醒有取消错误。

要获得更确凿的结果，需要通过提取单元的反力来获得单元电流，并根据二极管状态和I-U曲线重新

计算电压。

·可以在后处理器中画二极管的能量和状态图

·若AUTOTS开启，则依照标准的ANSYS自动时间步长功能来确定求解时间步长。程序根据动态系统的特征值来估计时间步长。当状态变化方向是依照预期估计的方向进行，则单元会发出调小时间步的信号，与接触单元间隙闭合类似。

·CIRCU125单元是高度非线性单元。要获得收敛结果，寻常需要定义收敛标准，而不是仅用缺省值。用CNVTOL,VOLT,,0.001,2,1.0E-6来改变收敛标准。

16.4使用电路建模程序

对于所有电路分析，首先需要用CIRCU124,CIRCU125,TRANS126,COMBIN14,COMBIN39,和MASS21单元来建立电路模型。建立电路模型的首选是使用ANSYS的电路建模程序，这是一个通过ANSYS图形用户界面（GUI）提供交互式处理的专用模块，它可以完成如下功能：

·可以用鼠标来选择电路元件并把它们放置在电路中所要求的位置·交互式建立电路模型

·给电路元件赋予“实〞常数并进行编辑·给独立源赋予鼓舞·以图形的方式验证所加鼓舞·以交互的方式来和FEA区进行连接·可对电压源和电流源元件定义源载荷

4

电路建模程序可生成单元类型、实常数、定义节点和单元。支持多种单元类型。和使用其他GUI特性一样，电路建模程序把用于建立电路模型的全部命令都写入记录文件（LOG文件）。

GUI提供专用的“wireelement〞选项。可以便利的用“wire〞连接各个电路。Wire表示连接两点间的一小段短电路（导电率无穷大）。MESH200单元只用来进行可视化的表示。Wire两端的节点要进行电压耦合（CP命令），假使两段或更多段Wire连接在一起，则所有的节点都要进行电压耦合。删除其中的一段，则所有连接在一起的Wire单元、节点耦合集以及所有没有与非“Wire〞单元连接的节点都要被自动强行删除。

16.4.1建立电路

为了建立电路，应激活ANSYS的GUI和使用下面描述的步骤。在此也给出有关电路建模的补充提醒：

?

电路图标都是固定尺寸，通过电路建模程序的“CenterWP〞选项可以设置图形的焦点和距离（MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Circuit>CenterWP）。

·对电路图标进行放缩或者改变电路布线的宽度，使用电路建模程序的\选项（Main

Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Circuit>ScaleIcon.）。

??

可以考虑显示两个窗口：一个是电路，另一个为所建模型

记住要将电路中的一个节点接地（通过GUI：MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Electric-Boundary>-Voltage-OnNodes，或者用D命令）。

建模步骤如下：

1．点取菜单路径MainMenu>Preferences，选项对话框出现。

2．假使计划做电路电磁耦合分析，选取“Electromagnetic〞。假使仅仅只做电路分析，则选取

“Electric〞。

3．点取UtilityMenu>File>ChangeJobname.对话框出现，为你的分析定义工作名，然后单击OK按钮。4．点取UtilityMenu>File>ChangeTitle，在对话框内为你的分析规定一个标题名，然后单击OK。5．点取MainMenu>Preprocessor>Create>Circuit，出现电路建模菜单。

6．假使需要把电路的放置远离目前的有限元模型（例如耦合电磁—电路分析），则在实用命令菜单中，使用工作平面（WorkPlane）选项，把工作平面原点移动到要开始建立电路模型的位置（否则，则跳过此步）。电路的位置可以是任意的，且不影响分析结果。为了便利起见，可使用Main

Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Circuit>CenterWP来使工作平面原点处于图形窗口的中心。7．从电路建模菜单中选择所需电路元件且遵照ANSYS输入窗口中的提醒来建立模型。寻常是先用鼠标确定单元的I和J节点的位置，然后选取I—J线的一个偏置位置来为电路元件定位。每种电路单元的长度和相对于其他电路单元位置可以是任意的，且不影响分析结果。一旦已定义好全部所需位置，将弹出一个对话框，要求输入ID号（单元号）和实常数。假使单元的图标尺寸太小，或电线太细，可通过MainMenu>Preproce