技能培训专题 工程电磁场讲义工程电磁场报告

MAXWELL有限元分析Maxwell仿真分析叠钢片涡流损耗分析任课老师：陈劲操班级：08081902学号：0808190246姓名：吴鹏2010/5/8第1页共8页Maxwell仿真分析——二维轴向磁场涡流分析源的处理在学习了Ansoft公司开发的软件Maxwell后，对工程电磁场有了进一步的了解，这一软件的应用之广非我们所想象。本次实验只是利用了其中很小的一部分功能，涡流损耗分析。通过软件仿真、作图，并与理论值相比较，得出我们需要的实验结果。在交流变压器和驱动器中，叠片钢的功率损耗非常重。大多数扼流线圈通常使用叠片，以减少涡流损耗，但这种损耗仍然很大。特别是在高频情况下，产生了热，进一步影响了整体性能。因此做这方面的分析十分有必要。一、实验目的1)认识钢的涡流效应的损耗，以及减少涡流的方法；2)学习涡流损耗的计算方法；3)学习用MAXWELL2D计算叠片钢的涡流。二、实验模型第一个实验是分析单个钢片的涡流损耗值，所以其模型就是一个钢片，设置其厚度为0.356mm，长度为20mm0.356mm，外加磁场为1T。实验模型是4片叠钢片组成，每一篇截面的长和宽分别是12.7mm和0.356mm，两片中间的距离为8.12uA，叠片钢的电导率为2.08e6S/m，相对磁导率为2000，作用在磁钢表面的外磁场Hz=397.77A/m，即Bz=1T。考虑到模型对X，Y轴具有对称性，可以只计算第一象限内的模型。三、实验步骤一．单个钢片的涡流损耗分析1、建立模型，因为是单个钢片的涡流分析，故位置无所谓，就放在中间，然后设置边界为397.77A/m，然后设置频率，进行求解。2、进行数据处理，算出理论值，并进行比较。第2页共8页二、叠钢片涡流损耗分析1、依照模型建立起第一象限内的模型，将模型的原点与坐标轴的原点重合，这样做起来比较方便。设置钢片的材质，使之符合实际要求。然后设置边界条件和源，本实验的源为一恒定磁场，分别制定在上界和右边界，然后考虑到对偶性，将左边界和下界设置为对偶。然后设置求解参数，因为本实验是要进行不同的频率下，涡流损耗的分析，所以设定好Frequency后，进行求解。2、将Frequency分别设置为1Hz、60Hz、360Hz、1KHz、2KHz、5KHz、10KHz，进行求解，注意每次求解时，要将StartingMesh设定为Initial，表示重新开始计算求解。记录下不同频率下的偶流损耗值和最低磁通密度Bmin。3、进行数据处理，把实验所得数据和理论值进行比较。得出实验结论。四、仿真图样一、单个钢片的涡流分析1）当F=50HZ时，P=6.32054E-002（W）Hmin=3.9575E+002(A/m)Bmin=rHmin=4*PI*(10e-7)*1000*Hmin=0.4973(T)仿真计算过程如下：第3页共8页2）当F=200HZ时，P=8.83642E-001（W）Hmin=3.6825E+002(A/m)Bmin=rHmin=4*PI*(10e-7)*1000*Hmin=0.4628(T)仿真计算过程如下：3）当F=5000HZ时，P=1.11579E+001（W）Hmin=2.3055E+001(A/m)Bmin=rHmin=4*PI*(10e-7)*1000*Hmin=0.0290(T)仿真计算过程如下：第4页共8页二、叠钢片涡流分析1、f=1HZ时P=1.99214e-6(W)Hmin=3.9777e2(A/m)Bmin=1/397.77*3.9777e2=0.9997(T)第5页共8页2、f=60HZ时P=7.16701e-3(W)Hmin=3.9761e2(A/m)Bmin=1/397.11*2.9761e2=0.9993(T)3、f=360HZ时P=2.52253e-1(W)Hmin=3.9223e2(A/m)Bmin=0.9857(T)4、f=1kHZ时第6页共8页P=1.68902(W)Hmin=3.5960e2(A/m)Bmin=0.9038(T)5、f=2kHZ时P=4.64186(W)Hmin=2.8517e2Bmin=0.7167(T)6、f=5kHZ时P=9.47030(W)第7页共8页Hmin=1.2766e2(A/m)Bmin=0.3208(T)7、f=10kHZ时P=1.24161e1(W)Hmin=2.6483e1(A/m)Bmin=0.0666(T)五、实验数据一、对于单钢片的位置与磁场平行的情况：1）实验值表格第8页共8页F(Hz)Bmin(T)P(W)500.49736.32054E-0022000.46288.83642E-00150000.02901.11579E+0012）理论值计算与结果低频公式理论表格F(Hz)Bmin(T)P(W)500.49756.325e-0022000.46208.825e-00150000.02882.125e001高频公式理论表格F(Hz)Bmin(T)P(W)50000.02881.13868e0013）误差分析误差表格F(Hz)BminP500.03%0.07%2000.04%0.13%50000.11%47.5%(低)2.0%(高)经过对比发现在50HZ和200HZ时,仿真结果与低频损耗计算结果吻合较好；在5000HZ时,仿真结果与高频损耗计算结果吻合也较好。而对于Bmin来说，3个频率时候吻合得都非常好。二、叠钢片的涡流分析不同频率下的Bmin和PF（Hz）Bmin（T）P（W）10.99971.99214e-6600.99937.16701e-3第9页共8页3600.98572.52253e-11k0.90381.689022k0.71674.641865k0.32089.4703010k0.06661.24261e1上表是实验所得数据。由工程电磁场的理论知识，易知在低频和高频下，涡流损耗的理论计算公式是不一样的所以下面分别讨论：1、实验数据与低频下损耗的理论计算公式的比较低频涡流损耗的计算公式为：P=t2ω2B2σ24V,式中，V为叠片体积；t为叠片厚度；B为峰值磁通密度；σ为叠片电导率；ω为外加磁场角频率。V=12.7×10−3×0.356×10−3×1=4.5212×10−6m3。经计算，可得到频率小于2KHz的各个频率的涡流损耗：低频数值计算结果与实验值的比较F（Hz）Bmin（T）P（W）[理论]P（W）[实验]10.99971.9593e-61.99214e-6600.99937.0535e-37.16701e-33600.98572.5408e-32.52253e-11k0.90381.96051.689022k0.71677.84204.641865k0.32084.9012e19.4703010k0.06661.9604e21.24261e1经比较发现，在频率小于2K时，实验结果和理论值比较吻合，而当频率大于2KHZ时，误差就很大了，说明原来的理论计算公式已不再适用，应当另谋他法。2、实验结果和高频损耗计算公式的比较当频率较高时，计算涡流损耗就应该另外寻求公式，查阅资料可得，高频时第10页共8页的涡流损耗计算公式为P=12Ht2RsS=Ht22δσ=Ht22√ωμ2σS式中，S为叠片表面积；Ht为磁场强度切向分量；σ为叠片电导率；μ为叠片相对磁导率；ω为外加磁场角频率；Rs为单位表面积叠片的阻抗；δ为趋肤深度。此公式适用于频率大于10KHZ的情况，为了进行对比，也利用此公式计算2KHZ和5KHZ的情况。高频数值计算结果与实验值的比较F（Hz）Bmin（T）P（W）[理论]P（W）[实验]2k0.71675.69184.641865k0.32089.00009.4703010k0.066612.7271.24261e13误差分析误差表格F(Hz)BminP10.004%3.3%600.097%3.3%3608.11%5.5%1K16.4%17%2K18.8%42%（低）20%（高）5K7.91%80%（低）6.6%（高）10K0.27%34%（低）1.9%（高）经过对比发现,在1kHz以下频率,仿真结果与低频损耗计算结果吻合较好；在频率(大于)等于5kHz时,仿真结果与高频损耗计算结果吻合也较好。而对于Bmin来说，一开始吻合的非常好，中间误差相对很大，而最后又吻合的很好。实验证明，涡流在现实生活中的存在。而且，其影响会随着频率的变化而变化。具体来说就是频率越高，损耗越大，这与生活常识也是吻合的。六、实验总结第11页共8页本次试验是通过Maxwell对叠钢片涡流进行仿真分析，经过这次试验，使我对涡流有了更深入的了解，而且对该软件的使用变得更加得心应手。在以后的学习过程中，应该充分利用可以使用的一切工具来辅助学习，这样不仅对学习的课程很有帮助，而且开拓了思维，训练了动手能力。希望以后能更加的努力，学好这门课程，为以后的专业课打下坚实的基础！