二維時(shí)諧分析 Ansys工程電磁場(chǎng)有限元分析 華科電氣.doc

第三章 二維時(shí)諧分析（2-D Harmonic (AC) Analysis）分析對(duì)象：正弦交變電流產(chǎn)生的效應(yīng) Eddy currents渦流 Skin effects集膚效應(yīng) Power loss due to eddy currents渦流損耗 Forces and torque力和力矩 Impedance and inductance阻抗和自感 Two contacting bodies with dissimilar meshes不同網(wǎng)孔（如轉(zhuǎn)子/定子氣隙）典型應(yīng)用： Transformers變壓器 Induction machines電感器 Eddy-current braking systems渦流剎車(chē)系統(tǒng) Most electromagnetic devices that work on AC交流電磁裝置不能有永磁體，不考慮磁滯效應(yīng)。3.1 線(xiàn)性分析與非線(xiàn)性分析 嚴(yán)格上講，時(shí)諧分析只適用于線(xiàn)性分析。 中等飽和的非線(xiàn)性問(wèn)題，如果不關(guān)心波形畸變，只關(guān)心時(shí)間平均的量，則可分析。 B-H曲線(xiàn)為等效值。 嚴(yán)格的非線(xiàn)性分析只能通過(guò)瞬態(tài)分析完成。3.2 所用的單元實(shí)體單元：?jiǎn)卧螤钐攸c(diǎn)節(jié)點(diǎn)自由度PLANE134節(jié)點(diǎn)四邊形或3節(jié)點(diǎn)三角形至多4個(gè)：磁矢位 (AZ), 位移, 溫度, 時(shí)間積分電位VPLANE538節(jié)點(diǎn)四邊形或6節(jié)點(diǎn)三角形至多4個(gè)：磁矢位 (AZ), 時(shí)間積分電位V，電流，電動(dòng)勢(shì)降遠(yuǎn)場(chǎng)單元：?jiǎn)卧螤钐攸c(diǎn)節(jié)點(diǎn)自由度INFIN92節(jié)點(diǎn)線(xiàn)段Magnetic vector potential (AZ)INFIN1104節(jié)點(diǎn) 或8節(jié)點(diǎn)四邊形至多3個(gè)：磁矢位 (AZ), 時(shí)間積分電位V，溫度電路單元：?jiǎn)卧螤钐攸c(diǎn)節(jié)點(diǎn)自由度CIRCU1246節(jié)點(diǎn) 至多3個(gè)： 電位、電壓、電動(dòng)勢(shì)降3.3 創(chuàng)建2D時(shí)諧分析物理環(huán)境自由度選項(xiàng) AZ：無(wú)外加電壓；用于短路導(dǎo)體 AZ-VOLT：允許外加電壓，可模擬多種狀況Note： (time-integrated potential)，（單位：V s）。同一斷面上V是常數(shù)。使用時(shí)需要對(duì)所有相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合。 AZ-CURR：用于電壓源驅(qū)動(dòng)的線(xiàn)圈（線(xiàn)圈不計(jì)渦流）模型物理特性設(shè)置 短路導(dǎo)體短路導(dǎo)體DOFs: AZ材料屬性: mur, (MURX), rho (RSVX)渦流形成回路；沒(méi)有電壓降 開(kāi)路導(dǎo)體：耦合電位；無(wú)凈電流開(kāi)路導(dǎo)體DOFs: AZ, VOLT 材料屬性: mur (MURX), rho (RSVX)Special characteristics: Couple VOLT DOF 載流塊導(dǎo)體：耦合電位；有凈電流載流塊導(dǎo)體 DOFs：AZ, VOLT 材料屬性： mur (MURX), rho (RSVX) 特點(diǎn)：耦合電位； 對(duì)一節(jié)點(diǎn)施加總電流。 總電流一定，電流分布未知。 共地導(dǎo)體：耦合電壓；用于如端部效應(yīng)能忽略的鼠籠轉(zhuǎn)子等共地多導(dǎo)體DOFs: AZ, VOLT 材料屬性: MUr (MURX), rho (RSVX)特性: 耦合全部節(jié)點(diǎn)電位載壓線(xiàn)圈 DOFs：AZ, CURR 材料屬性： mur (MURX), rho (RSVX) 特點(diǎn)：耦合電流； 施加電壓。實(shí)常數(shù)：CARE, TURN, LENG, DIRZ, FILL 總電壓一定，電流未知。 載壓線(xiàn)圈：耦合電流；外加電壓 載流線(xiàn)圈：外加電流，均勻電流密度載流線(xiàn)圈 DOFs：AZ 材料屬性： mur (MURX), rho (RSVX) 特點(diǎn)：施加均勻電流密度； 總電流一定，不計(jì)渦流，電流均勻分 布。建模與剖分 集膚效應(yīng)的考慮集膚深度：每個(gè)集膚深度至少劃分一層單元。施加邊界條件與載荷 邊界條件與載荷可以加在實(shí)體（線(xiàn)、面）上，也可以直接加在有限元模型（節(jié)點(diǎn)、單元）上。 周期性邊界條件：Command(s): PERBC2DGUI: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Magnetic Boundary Vector Poten Periodic BCs奇對(duì)稱(chēng)（odd symmetry）選項(xiàng)表示半個(gè)周期對(duì)稱(chēng)條件；偶對(duì)稱(chēng)（even symmetry）表示全周期對(duì)稱(chēng)。 幅值、相位與頻率相位（單位為）：只在多相分析時(shí)才有效，單相時(shí)令為0。頻率（單位為Hz）：Command(s): HARFRQGUI: Main Menu Solution Load Step Opts Time/Frequenc Freq and Substps求解 定義時(shí)諧分析類(lèi)型Main Menu Solution Analysis Type New Analysis，選擇Harmonic analysis. 定義分析類(lèi)型（默認(rèn)Full）Main Menu Solution Analysis Options 選擇方程求解器（2D默認(rèn)波前求解器）Main Menu Solution Analysis Options 非線(xiàn)性問(wèn)題迭代選項(xiàng)（默認(rèn)）Main Menu Solution Load Step Opts Nonlinear Convergence Crit 設(shè)置頻率：Main Menu Preprocessor Loads Load Step Opts Time/Frequenc Freq and Substps 啟動(dòng)求解：線(xiàn)性問(wèn)題：Main Menu Solution Solve Current LS非線(xiàn)性問(wèn)題：Command(s): HMAGSOLVGUI: Main Menu Solution Solve Electromagnet Harmonic Analys Opt&Solv 跟蹤收斂曲線(xiàn) 結(jié)束求解Command(s): FINISHGUI: Main Menu Finish查看結(jié)果獲得的數(shù)據(jù): Nodal magnetic flux density (BX, BY, BSUM) Nodal magnetic field intensity (HX, HY, HSUM) Nodal magnetic forces (FMAG: components X, Y, SUM) Nodal Lorentz magnetic forces (FMAG; components X, Y, SUM) Nodal reaction current segments (CSGZ) Joule heat per unit volume (JHEAT)示例：載壓線(xiàn)圈時(shí)諧分析命令流：!: 設(shè)置環(huán)境/batch,list/prep7/title, Voltage-fed thick stranded coil in free space/com, Calculate the current in the coil from an applied AC voltage /com,/com, Parameters/com, n = 500 coil turns/com, s = .02 (coil winding width and depth) meters/com, r = 3*s/2 meters (mean radius of coil)/com,/com,/nopr!: 選擇單元et,1,53,1 ! airet,2,53,2,1 ! voltage forced coilet,3,110,1 ! far-fieldemunit,mks!:設(shè)置材料屬性mp,murx,1,1mp,murx,2,1mp,rsvx,2,3.00e-8 ! resistivity of coil!:定義參數(shù)s=.02n=500r=3*s/2!: 幾何建模rectng,s,2*s,0,s/2pcirc,0,6*s,0,90pcirc,0,12*s,0,90!:布爾操作aovlap,all!: 設(shè)置屬性、剖分網(wǎng)格asel,s,area,1aatt,2,1,2asum ! 所選單元的面積求和*get,a,area,area ! area of 1/2 coil cross-sectionasel,s,area,4aatt,1,1,3asel,allcsys,1!: 選擇使用柱坐標(biāo)系lsel,s,loc,x,9*s!: 選取半徑為9s的線(xiàn)段lesize,all,1 esize,8mshape,0,2d ! mapped mesh with quadsmshkey,1amesh,1,4,3 ! mesh far-field and coilsmrtsize,2esize,s/4mshape,1,2d ! specify triangle elementsmshkey,0 ! free meshamesh,5 ! mesh air region!: 定義線(xiàn)圈實(shí)常數(shù)r,1,2*a,500,1,1 ! coil constants：序號(hào)1，面積2a， ! 匝數(shù)500，電流1A，填充因子1!: 選擇線(xiàn)圈單元，耦合電流esel,s,mat,2 ! get coil elementsnsle,s!: 選擇節(jié)點(diǎn)cp,1,curr,all ! couple curr dof in coilallsel,all!: 選擇全部對(duì)象!: 設(shè)置無(wú)限遠(yuǎn)邊界csys,1nsel,s,loc,x,12*ssf,all,inf ! set infinite surface flagcsys,0!: 換回直角坐標(biāo)系!: 設(shè)置對(duì)稱(chēng)軸（y軸）上的邊界條件nsel,s,loc,x,0d,all,az,0 ! flux-parallel conditionallsel,allfinish!: 建模及剖分結(jié)束。以下進(jìn)入求解過(guò)程/soluantype,harm!: 定義分析類(lèi)型為諧分析esel,s,mat,2!: 給線(xiàn)圈單元施加電壓載荷bfe,all,vltg,12 ! 12 volts load (real)esel,allharfrq,60 ! 60 Hz.solvefinish!: 選擇求解結(jié)束，進(jìn)入后處理器/post1set,1!: 選擇實(shí)部plf2d ! Plot real flux lines!: 獲取線(xiàn)圈電流n1=node(s,0,0) ! get a node on the coil*get,ireal,node,n1,curr set,1,1,1讀取虛部結(jié)果plf2d ! Plot imaginary flux lines*get,imag,node,n1,curr *status ! Imaginary and real components of current Finish參數(shù)歸納：U=12 VI=1.1921976-j1.62066033 AZ=R+jX=U/I=3.53429+j4.80448 WR=3.53429 W, X= j4.80448 WL=0.0127443 H基于直流計(jì)算的電阻：視在功率：（有功功率和無(wú)功功率）基于ANSYS單元計(jì)算的功率損耗：（等于P）基于ANSYS單元計(jì)算的存貯能量：如果套用的公式，Ie為有效值，得到比基于單元計(jì)算的結(jié)果略大10%。原因不清楚。將線(xiàn)圈高度延長(zhǎng)4倍，保持線(xiàn)圈匝數(shù)、厚度、填充因子等其他參數(shù)不變，問(wèn)電感、電阻