ansys电磁场分析教程chapter-3-1.ppt

1、第三章第1节,2-D交流和瞬态分析,3.1-2,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),3.1-3,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,3.1-4,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: 1E6 A/m2 频率: 100Hz,导电杆,3.1-5,二种求解结果: 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,3.1-6,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.av

2、i观察场动画,3.1-7,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,3.1-8,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,3.1-9,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),3.1-10,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

3、= 磁导率 = r 0 = 电导率= 1 / =电阻率 (Ohm-m) f = 频率(Hz),3.1-11,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 =.0023 m =2.3 mm 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) 。,3.1-12,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

4、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,3.1-13,(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,3.1-14,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,3.1-15,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,3.1-16,(3) 终端条件 终端短路条件

5、: 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,3.1-17,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,3.1-18,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,3.1-19,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,3.1-20,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

6、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。,3.1-21,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,3.1-22,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,3.1-23,应用: 电机槽内导体,问题描述 平面 导

7、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,3.1-24,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,3.1-25,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2号单元类型,平面,选择 OK,3.1-26,建立空气材料(MU

8、RX =1) 性质（1号材料） Preprocmaterial propsisotropic (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 OK,3.1-27,为建模输入参数 A = 6.45 mm B = 8.55 mm C = 8.45 mm D = 18.85 mm E = 8.95 mm,用二者之一 1) 窗口命令 2) Utilityparameterscalar,输入参数后选择Accept,3.1-28,选择 Apply 建立导体上半部份,建立导体下半

9、部份 Preproc createrectangleby dimensions,把上下导体连成一个平面 Preprocoperateaddareas Pick All,3.1-29,建空气间隙,利用glue 操作连接两个平面 Preprocoperateglueareas 选择 Pick All,选择 OK,3.1-30,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 OK,3.1-31,生成网格 Preprocmesh-areas-free mesh 选择Pick All,打开材料号显示,

10、3.1-32,模拟端部条件需要耦合电压（VOLT）自由度 选择导体节点,3.1-33,进行耦合 Preproccoupling/ceqncouple DOFs,耦合显示符号,主节点,选择 OK,3.1-34,空气隙上部加通量平行条件 Preprocloadsapplyboundaryflux parlon lines,3.1-35,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 OK,3.1-36,给导体加峰值电流（安培） Preprocloadsapply-electric-excitationon keypoint

11、s 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 Solutionnew analysis (选择Harmonic),3.1-37,设置分析的交变频率 Solutiontime/frequencfreq & 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,3.1-38,进行模拟 Utilityselecteverything Solutioncurrent LS,选择 OK,3.1-39,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 OK,3.1-40,

12、电流分布 选择导体 Postprocelec&mag calccurrent,对于实数解,磁力线图示 Postprocplot results 2D flux lines,3.1-41,利单元表数据JT （实数解）看电流等值图 Postprocplot resultselem table,3.1-42,检察与外加电流相差90度相位的场量（虚数解） Postprocby load step,选择 OK,3.1-43,磁力线图示 Postprocplot results 2D flux lines,电流分布 选择导体 Postprocelec&mag calccurrent,虚数解,3.1-44,

13、Postprocplot resultselem table (虚数解),选择 OK,3.1-45,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,结果以参数方式贮存，可用命令 Utilityparameterscalar来观察,3.1-46,图示功率损失 Postprocplot resultselem table (PLOSSD),选择 OK,3.1-47,应用实例: 带圆环的交流致动器,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

14、阻抗 Z = V / I = Re + jRi,3.1-48,Units: m,材料性质: 线圈: 铜 直流电阻: 12 400 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,3.1-49,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.,3.1-50,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

15、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,3.1-51,屏蔽环属性 连续圆环：短路状态 单元类型: 1号单元(Plane53) 材料 设置 4 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3,Shading ring,3.1-52,为了确定自由度，可查询Help UtilityHelpT of Canalysis guideElectromagneticHarmonic,3.1-53,确定线圈单元类型选项 Prepr

16、ocelement typeadd/edit/dele,选择 OK,选择 Options,3.1-54,空气 定子 衔铁 线圈 屏蔽圆环,证实材料性质,3.1-55,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: m2,3.1-56,将面积输入参数ACOND Utilityparametersget scalar,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

17、itemsof areasOK,3.1-57,输入参数名,选择 OK 由Utilityparametersscalar菜单证实参数,3.1-58,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 = .17241E-7 N = 400 Ac = 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,3.1-59,Utilityparametersget scalar,选择 OK,选择 OK,输入参数名,3.1-60,选择 Accept,线圈填充系数CF由 Utilityparameters菜

18、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，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,3.1-61,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 = .196,3.1-62,为线圈建立4号实常数 Preprocreal constants,选择 Add,选择 OK,3.1-63,输入线圈实常数数值，,选择 OK 应用下列菜单列出实常数 Utilitylistpropertiesall real

19、constants,3.1-64,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） 线圈区域耦合节点 选择线圈区域全部节点 Preproccouplingcouple DOF Pick All,选择 OK,必须是一个新的设置参数号,3.1-65,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,选择 OK,输入的耦合组号应是CP_MX+1,选择 OK,3.1-66,加上电压励磁 Preprocloadsapply-voltage drop- on areas 选择线圈区域（面

20、积） 选择OK,峰值电压,3.1-67,沿模型边缘加通量平行边界条件 Preprocapplyboundary-flux parl- on lines 选择模型边缘上的全部线,衔铁组件施加力标志 Preprocapplyflagcomp. force,选择 OK,3.1-68,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 OK 开始求解 Solusolve current ls 选择 OK,3.1-69,AC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（

21、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 OK,3.1-70,得到虚数解磁力线 （虚数部分场量为缺省条件) Postprocplot results2D flux lines,在气隙和铜环附近的BSUM (总磁通密度),3.1-71,实数部分磁力线 加载实数解结果. Postprocby load step,选择 OK,3.1-72,与电压激励同项的场量结果（实数解）,在铜环和气隙区附近的BSUM,3.1-73,获取时间平均衔铁磁力 Postprocelec&mag calccomp. force,选择 OK,频率(Hz),由虚功法计算的力,Maxwell应力张量法计算的力,3.1-74,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 Postprocplot resultselem table,3.1-75,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8内（见PLANE53单元的帮助文档） 选择线圈区域（ COIL组件） 定义单元表ERES，选择ADD Postprocelement tabledefine table ADD,选择 OK,3.1-76,通过求和线圈全部单元