47Ansys电磁场分析经典教程

1-1目录第一章电磁场仿真简介………………………………………....……....……....……....……....第二章二维静态分析第1节……………………………………………………………………………..…第2节……………………………………………………………….……….………第3节…………………………………………………………………….….………第4节…………………………………………………………………………..……第5节……………………………………………………………………………..…第三章二维谐波和瞬态分析第1节…………………………………………………………………………….….第2节…………………………………………………………………...…………..第四章三维电磁场分析第1节…………………………………………………………………………...….…第2节…………………………………………………………………….………....第3节………………………………………………………………….…..…….….第4节………………………………………………………………….……...…….第5节…………………………………………………………………….…...…….第五章耦合场分析概况……………………………………………………………………………..1-42.1-12.2-12.3-12.4-12.5-13.1-13.2-14.1-14.2-14.3-14.4-14.5-15-11-2第一章教程综述1-3•ANSYS/EMAG能用于模拟工业电磁装置•电磁装置当然是3维，但可简化为2维模型。•模拟可考虑为：–稳态–交流（谐波）–时变瞬态•阶跃电压•PWM(脉宽调制）（PulseWidthModulation)•任意1-4•利用轴对称衔铁和平面定子设计致动器的一个实例–衔铁旋转–衔铁气隙可变化•完整模型由2个独立部件组成–衔铁模块–定子模块执行:solen3d.avi看动画1-5模拟过程概述•利用如下方式观察装置–2D与3D–平面与轴对称–利用轴对称平面简化模型•定义物理区域–空气，铁，永磁体等等–绞线圈，块导体–短路，开路•为每个物理区定义材料–导磁率（常数或非线性）–电阻率–矫顽磁力，剩余磁感应衔铁线圈锭子实体模型1-6•建实体模型•给模型赋予属性以模拟物理区•赋予边界条件–线圈激励–外部边界–开放边界•实体模型划分网格•加补充约束条件（如果有必要）–周期性边界条件–连接不同网格有限元网格1-7•进行模拟•观察结果–某指定时刻–整个时间历程•后处理–磁力线–力–力矩–损耗–MMF（磁动势）–电感–特定需要1-8•模拟由3个区域组成•衔铁区:导磁材料导磁率为常数（即线性材料）•线圈区:线圈可视为均匀材料.•空气区:自由空间(μr=1).衔铁线圈1-9性质柱体:μr=1000线圈:μr=1匝数:2000(整个线圈)空气:μr=1激励线圈励磁为直流电流:2安培单位(mm)衔铁Coil长度=35YX模型轴对称材料号2材料号31-10•建模–设置电磁学预选项（过滤器）–对各物理区定义单元类型–定义材料性质–对每个物理区定义实体模型•铁芯•线圈•空气–给各物理区赋材料属性–加边界条件1-11•设置预选过滤掉其它应用的菜单Mainmenupreferences•选择OK1-12•定义所有物理区的单元类型为PLANE53PreprocessorElementtypeAdd/Edit/Delete•选择Add•选择磁矢量和8节点53号单元•选择OK1-13•模拟模型的轴对称形状•选择Options（选项）•Elementbehavior（单元行为）•选择Axisymmetric（轴对称）•选择OK1-14•定义材料PreprocessorMaterialPropsIsotropic•定义空气为1号材料(MURX=1)•选择Apply(自动循环地定义下一个材料号）•选择OK1-15•定义衔铁为2号材料•选择OK•选择Apply(自动循环地选择下一个材料号）1-16•定义线圈为3号材料(自由空间导磁率，MURX=1)•选择OK•选择OK(退出材料数据输入菜单）1-17•建立衔铁面PreprocessorCreateRectangleByDimensions•选择Apply(重复显示和输入)•建立线圈面•选择Apply利用TAB键移动输入窗口1-18•建立空气面•选择OK到了这步，建立了全部平面，但它们还没有连接起来.衔铁线圈1-19•用Overlap迫使全部平面连接在一起PreprocessorOperateOverlapAreas•按PickAll现在这些平面被连接了，因此当生成单元时，各区域将共享区域边界上节点这种操作后，原先平面被删除，而新的平面被重新编号1-20•这些平面要求与物理区和材料联系起来Preprocessor-Attributes-DefinePickedAreas•用鼠标点取衔铁平面•选择OK(在选取框内）•材料号窗口输入2•选择OK对于没有明确定义属性的面，其属性缺省为11-21•这些平面要求与物理区和材料联系起来•Preprocessor-Attributes-DefinePickedAreas选取线圈平面（在选择对话框里）点取OK材料号窗口输入3•点OK1-22•加通量平行边界条件Preprocessorloadsapply-magnetic-boundary-flux-par’l•选OnLines并选取相应的线•选OK“所选取的线”“所选取的线”注：未划分单元前，加上这种边界条件1-23•生成有限元网格•利用智能尺寸选项来控制网格大小Preprocessor-Meshing-SizeCntrls-smartsize-basic•选择OK1-24•Preproc-Meshing-Mesh-Areas-Free在选取框内选择ALL选择OK•打开绘制单元的材料属性UtilityPlotCtrlsNumbering•选择OK1-25•力边界条件标志需要单元部件，即一组具有“名称”的单元•把衔铁定义为一个单元组件–选择衔铁平面Utilityselectentities用此选项在图形窗口中选择平面再次选择用APPLY•一旦衔铁已选好，选择OK(在选取框内）1-26•选择与已选平面相对应的单元•选择OK•图示衔铁单元Utilityplotelements衔铁单元用“面”1-27•使单元与衔铁组件联系起来UtilitySelectComp/AssemblyCreateComponent•选择OK1-28•加力边界条件标志PreprocessorLoadsApply-Magnetic-FlagCompForce•选择OK•施加两个标志，用两个不同的方法来计算力–Maxwell’s应力张量–虚功即使只有一种选项，也要鼠标选取1-29•以毫米单位生成的模型，最好把模型尺寸变换为国际单位制（变换系数=.0001)•使整个模型激活UtilitySelectEverything•缩放平面-不用拷贝Preprocoperatescaleareas•选择OK1-30•给线圈平面施加电流密度•选择线圈平面UtilitySelectEntity•选择OK(实体选择框)•选择线圈平面•选择OK(选取框内)1-31•激励线圈要求电流密度，故要得到线圈截面积.PreprocessorOperateCalcGeometricItemsOfAreas•选择OK•要用线圈面积来计算电流密度，将线圈面积赋予参数CAREAUtilityParameterGetScalarData•选择OK1-32•下面窗口输入面积的参数名，用于后面电流密度输入去掉面号（如果有的话）这相应于几何面积总和•选择OK1-33•把电流密度加到平面上PreprocessorLoadsApplyExcitationOnAreas•(因为只激活了线圈平面，可在选取框内选择PickAll）•选择OK1-34•进行计算Solu-solve-electromagnetOpt&Solve•选择OK这些适用于用BH数据来进行的分析，本题将忽略1-35•生成磁力线圈Postprocplotresults2Dfluxlines•选择OK使用缺省设置，选择OK,（在通常情况下，可这样做）单元边缘围绕的一个红色输廓表示该区域为同类材料号1-36•计算力PostprocElec&MagCalcComp.Force•选择OK衔铁上力是在总体坐标系下表示的，此力的方向为使气隙缩小必须用鼠标选取1-37•显示总磁通密度值(BSUM)PostprocPlotResultsNodalSolution•选择OK1-38第二章第2节二维静磁学1-39EMAG模拟的概念•模型边界条件有:–磁通量垂直–磁通量平行–周期性对称*•偶对称•奇对称•根据单元方程式施加边界条件–矢量(2D或3D)–标量(3D)–基于单元边(3D)*在第2章来讨论简单励磁的平面模型AABB线圈(象征性的)铁芯空气1-40•在2D静磁场、交流和瞬态分析中采用磁矢量势方法(MVP)•此公式称为MVP，磁通量密度(B)等于矢量势(A)的旋度B=Curl(A)•对于二维情况，A只有Z方向分量，在ANSYS中表示为“AZ”自由度•模型有二种边界条件描述–-Dirichlet条件（AZ约束）:磁通量平行于模型边界–Neumann条件（自然边界条件）:磁通量垂直于模型边界1-41•沿A-A通量平行边界条件需满足：–模型中A-A的左边和右边是相同的•几何形状相同•材料属性相同–左边和右边励磁相位差180度（即方向相反）•对称平面边界条件–沿A-A必须加约束BB（1/2）对称模型PoleFaceAA1-42•半对称模型与全模型比较：–磁通量密度是相同的–线圈上Lorentz力是相同的–贮能为1/2–极面上力为1/2–加载电流密度与全模型相同线圈(象征性的)简单导磁体的半对称模型1-43•沿B-B磁通量垂直边条件需满足–B-B线上下两边如下参数是相同的•几何形状•材料性质–B-B线上下两边励磁相同•对称面(B-B)边界条件–2D磁矢量势(MVP)方式，无须处理–加载电流与全模型相同QuartersymmetrymodelofthesimplemagnetizerBB1-44•1/4模型与全模型比较–磁通密度分布相同–贮能为1/4–所示线圈上的Lorentz力1/2–作用在极面上力为1/2励磁体1/4对称模型BB1-45•单元plane13andplane53用于模拟2D磁场–Plane13:4节点四边形•耦合场自由度：温度，结构，磁•电源为Z方向•B为线性变化•适用于：Plane13•变压器•汇流排•传感器•线性或任意•永磁系统•螺线管磁体（致动器）•直线或旋转电机•负载机械•机械力矩1-46–plane53:8节点，四边形•耦合场自由度:–磁–与电路单元耦合•电流为Z方向•B可为二次非线性变化•通常情况下的推荐使用单元•适用于精度要求较高的分析–场量分析–大型机械力矩中节点1-47•定义Plane13的单元类型和单元选项Preprocelementtypeadd/edit/delete•选择ADD•选择Plane13用单元类型号给平面赋属性•选择OK1-48•一旦定义单元类型，要选择单元选项•单元选项控制:–2D直流模拟为AZ自由度–2D模拟型式•轴对称•平面•点取单元选项1-49几何体型式用于直流模拟•选择OK用于定义平面属性的参考号因为plane13用于耦合场模拟，故该单元可以具有应力/应变结构选项1-50–平面与轴对称比较–端部效应•平面:不包括•轴对称:自动包括–正向电流方向相反线圈两种情况都是施加正向电流铁板磁流密度矢量显示铁环轴对称:+Z电流方向进平面平面:+Z电流方向出平面1-51–磁力线描述•平面:AZ等值线•轴对称:rAZ等值线电枢线圈定子平面或轴对称?平面或轴对称