01-Ansys电磁场分析简介

ANSYS电磁场分析软件简介电磁场分析与有限元方法对于电磁场问题，既可以转化为微分方程的定解问题，也可以归结为变分问题，即求静电场能量的极值问题。有限元法就是以变分原理为基础，吸取差分格式思想的一种求解微分方程的系统化数值计算方法。它利用离散的单元，使静电场的能量近似表示为有限个结点电位的函数。这样，求解静电场能量的极值问题就转化为多元函数的极值问题，即对于静电场有限元计算最后都归结为大型稀疏有限元方程的求解。有限元方法有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元法方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。有限元分析流程工程问题搜集相关资料决定分析项目获取材料的机械性质及几何条件、外力、边界条件建立有限元模型材料性质几何形状的定义元素切割的产生加边界条件加负荷条件加时间变化情形分析分析结果显示与打印结果研判提出改进方法问题解决或得到最佳设计前置处理Preprocessing解题程序Solution后置处理Postprocessing有限元程序合理不合理不合理在Ansys/Emag或Ansys/Multiphysics中Ansys程序的电磁能力可用来分析电磁场的多方面问题，如电感、电容、阻抗、磁通量密度、磁场强度、磁通泄漏、涡流、电场分布、磁力线、品质因数、特征频率、磁力和力矩、运动效应、电路和能量损失等。可用来分析以下设备电力发电机变压器螺线管电动机磁成像系统回旋加速器磁悬浮装置图像显示设备传感器磁带和磁盘驱动器波导谐振腔开关天线辐射滤波器等离子体装置电解槽用于Ansys电磁场分析的有限元公式由磁场的Maxwell方程组导出，通过将标量势或边界通量引入Maxwell方程组中考虑其电磁性质关系，就可以开发出适合于有限元分析的方程组。ANSYS的一些特点用户可方便地选择MKS、CGS或其他一些单位制作为电磁场分析的单位制。作为标准的Frontal求解器的替代者，PCG、ICCG和JCG迭代求解器非常适用于求解电磁场问题，因为它们提供了势场问题的快速解法。使用二维和三维无限边界单元，则不需要建立环绕电磁设备的无限介质的大模型，从而可以采用更小的模型，同时降低了对计算机资源的需求。ANSYS的一些特点（续1）Ansys提供了丰富的线性和非线性材料的表达方式，包括各向同性或正交各向异性的线性磁导率，材料的B-H曲线和永磁体的退磁曲线。后处理功能允许用户显示磁力线、磁通密度和磁场强度并进行力、力矩、源输入能量、感应系数、端电压和其他参数计算。ANSYS的一些特点（续2）ANSYS电场分析功能可用于研究电场的三方面的问题：电流传导、静电分析和电路分析。感兴趣的物理量包括电流密度、电场强度、电势分布、电通量密度、传导产生的焦耳热、贮能、力、电容、电流以及电势降等。主要优点之一是耦合场分析功能。磁场分析的耦合场载荷可被自动耦合到结构、流体和热单元上。此外在对电路耦合器件的电磁场分析时，电路可被直接耦合到导体或电源，同时也计及运动的影响。1、在电磁场分析中要计算的量磁通密度磁场强度磁力及磁矩阻抗电感涡流能量损耗磁漏S-参数品质因数反射波损耗特征频率2、电磁场的来源电流、外加磁场、永磁体3、什么时候要用二维分析？2-D平面分析：忽略终端效应模型位于X-Y平面电流方向只沿X-Y面的法线方向（Z方向）磁场只有X-Y面内的分量2-D轴对称分析：模型位于X-Y平面电流方向只沿X-Y面的法线方向（圆周Z方向）磁场只有X-Y面内的分量4、什么时候要用三维分析？要计算的设备不具有对称性电流不知沿着一个方向流动可描述2-D分析无法实现的计算5、自由度情况有限元计算中的主自由度是磁势或磁通量，其他的磁场量都由这些主自由度给出。具体问题中的自由度可以是磁矢势、磁标势和磁通量，这要根据所选择的单元类型和单元选项来选择。6、ANSYS磁场分析的类型2-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用矢势法。2-D谐波磁场分析，分析低频交流电流或交流电压所产生的磁场，用矢势法。2-D瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，用矢势法。Ansys磁场分析的类型（续1）3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用标势法。3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用基于单元边的方法。3-D谐波磁场分析，分析低频交流电流所产生的磁场，用基于单元边的方法。这种方法适用于大部分谐波磁场分析。Ansys磁场分析的类型（续2）3-D瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，用基于单元边的方法。这种方法适用于大部分瞬态磁场分析。3-D静态磁场分析，基于节点，用矢势法。3-D谐波磁场分析，基于节点，用矢势法。3-D瞬态磁场分析，基于节点，用矢势法。7、什么是磁标势法这种方法可将电流源按“基元”建模，而不是单元，这样电流源可以不是有限元的一部分，只是在相应位置考虑它们对磁场的贡献。它不受模型其他部分的限制，建立模型更容易。标势法的特点可用砖型（六面体）、碶型、金字塔形、四面体型单元。电流源用“基元”（原始实体）定义可含永久磁体允许线性和非线性磁导率可用节点耦合和约束方程8、什么是磁矢势（MVP）法？是基于节点方法中的一种（标势法是另一种节点法），矢势法中的节点自由度要比标势法多：AX、AY和AZ，亦即X、Y和Z方向的磁矢量势。在载压或电路耦合分析中还可以引入另外三个自由度：电流（CURR），电动势降（EMF）和电势（VOLT）。2-D磁分析必须采用矢势法，此时主自由度只有AZ。在矢势法中，电流源（导电区域）要作为整个有限元模型的一部分。因为它的节点自由度更多，所以它的运算速度较慢。9、什么是基于单元边的分析？基于单元边的方法只能用3-D分析，而不能用于2-D分析，对大多数3-D谐波分析和瞬态分析都推荐使用这种方法。基于单元边的方法中的自由度与单元边有关系，而与单元节点没关系。它提供了3-D低频静态和动态电磁场的求解能力。这种方法同基于节点的矢势法相比计算更精确。特别是当模型中有铁区存在的时候。但在下列情况下要用矢势法：Ａ当模型中存在着运动效应和电路耦合时；Ｂ当模型要求电路和速度效应时；Ｃ当模型中的单元存在着碶型退化时；Ｄ当所分析的模型中没有铁区时。