ANSYS電磁場分析教學(xué)指南

1、第一章磁場分析概述1.1磁場分析對象利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模塊中的電磁場分析功能，ANSYS可分析計算下列的設(shè)備中的電磁場，如：電力發(fā)電機磁帶及磁盤驅(qū)動器變壓器波導(dǎo)螺線管傳動器諧振腔電動機連接器磁成像系統(tǒng)天線輻射圖像顯示設(shè)備傳感器濾波器回旋加速器在一般電磁場分析中關(guān)心的典型的物理量為：磁通密度能量損耗磁場強度磁漏磁力及磁矩 S-參數(shù)阻抗品質(zhì)因子Q電感回波損耗渦流本征頻率存在電流、永磁體和外加場都會激勵起需要分析的磁場。1.2ANSYS如何完成電磁場分析計算ANSYS以Maxwell方程組作為電磁場分析的出發(fā)點。有限元方法計算的未知量（自由度）主要是磁位或

2、通量，其他關(guān)心的物理量可以由這些自由度導(dǎo)出。根據(jù)用戶所選擇的單元類型和單元選項的不同，ANSYS計算的自由度可以是標(biāo)量磁位、矢量磁位或邊界通量。1.3靜態(tài)、諧波、瞬態(tài)磁場分析利用ANSYS可以完成下列磁場分析：2-D靜態(tài)磁場分析，分析直流電(DC)或永磁體所產(chǎn)生的磁場，用矢量位方程。參見本書“二維靜態(tài)磁場分析”2-D諧波磁場分析，分析低頻交流電流(AC)或交流電壓所產(chǎn)生的磁場，用矢量位方程。參見本書“二維諧波磁場分析”2-D瞬態(tài)磁場分析，分析隨時間任意變化的電流或外場所產(chǎn)生的磁場，包含永磁體的效應(yīng)，用矢量位方程。參見本書“二維瞬態(tài)磁場分析”3-D靜態(tài)磁場分析，分析直流電或永磁體所產(chǎn)生的磁場，用

3、標(biāo)量位方法。參見本書“三維靜態(tài)磁場分析（標(biāo)量位方法）”3-D靜態(tài)磁場分析，分析直流電或永磁體所產(chǎn)生的磁場，用棱邊單元法。參見本書“三維靜態(tài)磁場分析（棱邊元方法）”3-D諧波磁場分析，分析低頻交流電所產(chǎn)生的磁場，用棱邊單元法。建議盡量用這種方法求解諧波磁場分析。參見本書“三維諧波磁場分析（棱邊元方法）”3-D瞬態(tài)磁場分析，分析隨時間任意變化的電流或外場所產(chǎn)生的磁場，用棱邊單元法。建議盡量用這種方法求解諧波磁場分析。參見本書“三維瞬態(tài)磁場分析（棱邊元方法）”基于節(jié)點方法的3-D靜態(tài)磁場分析，用矢量位方法。參見“基于節(jié)點方法的3-D靜態(tài)磁場分析”基于節(jié)點方法的3-D諧波磁場分析，用矢量位方法。參見“

4、基于節(jié)點方法的3-D諧波磁場分析”基于節(jié)點方法的3-D瞬態(tài)磁場分析，用矢量位方法。參見“基于節(jié)點方法的3-D瞬態(tài)磁場分析”1.4關(guān)于棱邊單元、標(biāo)量位、矢量位方法的比較什么時候選擇2D模型，什么時候選擇3D模型？標(biāo)量位方法和矢量位方法有何不同？棱邊元方法和基于節(jié)點的方法求解3-D問題又有什么區(qū)別？在下面將進行詳細(xì)比較。1.4.12-D分析和3-D分析比較3-D分析就是用3-D模型模擬被分析的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)實生活中大多數(shù)結(jié)構(gòu)需要3-D模型來進行模擬。然而3-D模型對建模的復(fù)雜度和計算的時間都有較高要求。所以，若有可能，請盡量考慮用2-D模型來進行建模求解。1.4.2什么是磁標(biāo)量位方法？對于大多數(shù)3-D靜

5、態(tài)分析請盡量使用標(biāo)量位方法。此方法將電流源以基元的方式單獨處理，無需為其建立模型和劃分有限元網(wǎng)格。由于電流源不必成為有限元網(wǎng)格模型中的一部分，建立模型更容易。標(biāo)量位方法提供以下功能：磚型（六面體）、楔型、金字塔型、四面體單元。電流源以基元的方式定義（線圈型、桿型、弧型）可含永久磁體激勵求解線性和非線性導(dǎo)磁率問題可使用節(jié)點偶合和約束方程此外，標(biāo)量位方法中電流源建模簡單，因為用戶只需在合適的位置施加電流源基元（線圈型、桿型等）就可以模擬電流對磁場的貢獻(xiàn)。1.4.3什么是磁矢量位方法？矢量位方法（MVP）是ANSYS支持的兩種基于節(jié)點的方法中的一種（標(biāo)量位法是另一種基于節(jié)點的方法）。這兩種方法都可用

6、于求解3-D靜態(tài)、時諧、瞬態(tài)分析。矢量位方法中的每個節(jié)點的自由度要比標(biāo)量位方法多：因為它在X、Y和Z方向分別具有磁矢量位AX、AY、AZ。在載壓或電路耦合分析中還引入了另外三個自由度：電流(CURR)，電壓降(EMF)和電壓(VOLT)。2-D靜態(tài)磁分析必須采用矢量位方法，此時主自由度只有AZ。在矢量位方法中，電流源（電流傳導(dǎo)區(qū)域）要作為整個有限元模型的一部分。由于它的節(jié)點自由度更多，所以比標(biāo)量位方法的運算速度要慢一些。矢量位方法可應(yīng)用于3-D靜態(tài)、時諧和瞬態(tài)的磁場分析計算。但是，當(dāng)計算區(qū)域含有導(dǎo)磁材料時，該方法的精度會有損失（因為在不同導(dǎo)磁率材料的分界面上，由于矢量位的法向分量非常大，影響了

7、計算結(jié)果的精度）。你可以使用INTER115單元，在同一模型中同時使用3-D標(biāo)量位方法和3-D矢量位方法。分頁1.4.4什么是棱邊元方法？我們推薦在解決大多數(shù)的3-D時諧問題和瞬態(tài)問題時，選用棱邊單元法，但此方法對于2-D問題不適用。棱邊單元法中的自由度與單元邊有關(guān)系，而與單元節(jié)點沒關(guān)系。此方法在3-D低頻靜態(tài)和動態(tài)電磁場的模擬仿真方面有很好的求解能力。這種方法和基于節(jié)點的矢量位法同時求解具有相同泛函表達(dá)式的模型時，此方法更精確，特別是當(dāng)模型中有鐵區(qū)存在時。當(dāng)自由度是變化的情況下，棱邊單元法比基于節(jié)點的矢量位方法更有效。ANSYS理論手冊中有關(guān)于此方法更細(xì)致的描述。1.4.5棱邊元方法和矢量位

8、方法的比較主要的不同在于棱邊單元法具有更高的精度，對于3-D分析來說，使用棱邊單元的分析過程和用MVP分析的過程基本相同。所以，如前所述，我們推薦在求解大多數(shù)的3-D時諧和瞬態(tài)問題時采用單元邊方法，但在下列情況下只能用矢量位法：模型中存在著運動效應(yīng)和電路耦合時；模型要求電路和速度效應(yīng)時所分析的模型中沒有鐵區(qū)時。1.5高頻電磁場分析ANSYS程序具有高頻電磁分析功能，用于分析計算給定結(jié)構(gòu)的電磁場和電磁波的傳播特性。大多數(shù)高頻器件都是用電磁波傳播信息。同一器件在不同頻率的表現(xiàn)顯然是不同的，因此在高頻器件設(shè)計中，進行頻響特性分析就顯得尤為重要。當(dāng)信號的波長與導(dǎo)波設(shè)備的大小相當(dāng)時，就必須進行高頻分析。

9、ANSYS提供時諧分析和模態(tài)分析兩種分析方法，詳見第10章高頻電磁場分析。1.6電磁場單元概述ANSYS提供了很多可用于模擬電磁現(xiàn)象的單元，表1-1作了簡要介紹，單元和單元特性（自由度、KEYOPT選項、輸入和輸出等）的詳細(xì)描述請參見ANSYS單元手冊。注意，并非下表中的所有單元都能應(yīng)用于所有的電磁分析類型，詳情請參閱相關(guān)分析類型章節(jié)的描述。表1-1電磁場單元單元維數(shù)單元類型節(jié)點數(shù)形狀自由度1和其它特征PLANE532-D磁實體矢量8四邊形AZ；AZ-VOLT；AZ-CURR；AZ-CURR-EMFSOURC363-D電流源3無無自由度，線圈、桿、弧型基元SOLID963-D磁實體標(biāo)量8磚形M

10、AG (簡化、差分、通用標(biāo)勢)SOLID973-D磁實體矢量8磚形AX、AY、AZ、VOLT；AX、AY、AZ、CURR；AX、AY、AZ、CURR、EMF；AX、AY、AZ、CURR、VOLT；支持速度效應(yīng)和電路耦合INTER1153-D界面4四邊形AX、AY、AZ、MAGSOLID1173-D低頻棱邊單元20磚形AZ(棱邊)；AZ(棱邊)-VOLTHF1193-D高頻棱邊單元10四面體AX(棱邊)HF1203-D高頻棱邊單元20磚型AX(棱邊)CIRCU1241-D電路8線段VOLT、CURR、EMF；電阻、電容、電感、電流源、電壓源、絞線圈、2D大線圈、3D大線圈、互感、控制源PLANE

11、1212-D靜電實體8四邊形VOLTSOLID1223-D靜電實體20磚型VOLTSOLID1233-D靜電實體10四面體VOLTSOLID1273-D靜電實體10TetVOLTSOLID1283-D靜電實體20BrickVOLTINFIN92-D無限邊界2線段AZ-TEMPINFIN1102-D無限實體8四邊形AZ、VOLT、TEMPINFIN473-D無限邊界4四邊形MAG、TEMPINFIN1113-D無限實體20磚型MAG、AX、AY、AZ、VOLT、TEMPPLANE672-D熱電實體4四邊形TEMP-VOLTLINK683-D熱電桿2線段TEMP-VOLTSOLID693-D熱電實

12、體8磚型TEMP-VOLTSHELL1573-D熱電殼4四邊形TEMP-VOLTPLANE132-D耦合實體4四邊形UX、UY、TEMP、AZ；UX-UY-VOLTSOLID53-D耦合實體8磚型UX-UY-UZ-TEMP-VOLT-MAG；TEMP-VOLT-MAG；UX-UY-UZ；TEMP、VOLT/MAGSOLID623-D磁結(jié)構(gòu)8磚型UX-UY-UZ-AX-AY-AZ-VOLTSOLID983-D耦合實體10四面體UX-UY-UZ-TEMP-VOLT-MAG；TEMP-VOLT-MAG；UX-UY-UZ；TEMP、VOLT/MAG1具體的自由度根據(jù)KEYOPT選項的具體設(shè)置來激活1.

13、7關(guān)于GUI路徑和命令方式在本指南中，貫穿始終，都會看見許多ANSYS命令流和其等效路徑的提示。這些命令行一般只使用了命令名，并沒有列出所有變量參數(shù)。如果在命令后面加了不同的變量，將執(zhí)行一些其他的更復(fù)雜的操作。若希望了解更復(fù)雜的命令語法，請參考ANSYS命令指南我們盡可能多地列出了GUI等效路徑的提示幫助。很多情況下，直接執(zhí)行GUI路徑就可以執(zhí)行相應(yīng)的命令函數(shù)；在有些情況下，執(zhí)行GUI路徑后，會出現(xiàn)菜單和對話框，根據(jù)提示選擇相應(yīng)的選項完成希望執(zhí)行的命令函數(shù)。對于本指南的所有分析，在定義材料屬性時，將應(yīng)用一種更加仿真的界面形式。界面根據(jù)材料屬性的不同，分門別類地分級列出樹狀形式結(jié)構(gòu)，這樣便于用戶

14、更加合理的選擇材料類型。詳細(xì)情況請參見ANSYS基本過程指南中的“材料模型界面”。第二章2-D靜態(tài)磁場分析2.1什么是靜態(tài)磁場分析靜態(tài)磁場分析考慮由下列激勵產(chǎn)生的靜態(tài)磁場：永磁體穩(wěn)態(tài)直流電流外加電壓運動導(dǎo)體外加靜磁場靜磁分析不考慮隨時間變化效應(yīng)，如渦流等。它可以模擬各種飽和非飽和的磁性材料和永磁體。靜磁分析的分析步驟根據(jù)以下幾個因素決定：模型是2D還是3D在分析中，考慮使用哪種方法。如果靜態(tài)分析為2D，就必須采用在本章內(nèi)討論的矢量位方法。對于3D靜態(tài)分析，你可選其中標(biāo)量位方法（第5章）、矢量位方法（第9章）、或者棱邊元方法（第6章）。2.2二維靜態(tài)磁場分析中要用到的單元：2-D模型要用二維單元

15、來表示結(jié)構(gòu)的幾何形狀。雖然所有的物體都是三維的，但在實際計算時首先要考慮是否能將它簡化成2-D平面問題或軸對稱問題，這是因為2-D模型建立起來更容易，運算起來也更快捷。ANSYS/Multiphysics和ANSYS/Emag模塊提供了一些用于2-D靜態(tài)磁場分析的單元（如下表）。詳細(xì)情況參見ANSYS單元手冊。表2-12-D實體單元單元維數(shù)形狀或特性自由度PLANE132-D四邊形，4節(jié)點或三角形，3節(jié)點最多可達(dá)每節(jié)點4個；可以是磁矢勢(AZ)、位移、溫度或時間積分電勢。PLANE532-D四邊形，8節(jié)點或三角形，6節(jié)點最多可達(dá)每節(jié)點4個；可以是磁矢勢(AZ)、時間積分電勢、電流或電動勢降。表

16、2-2. 遠(yuǎn)場單元單元維數(shù)形狀或特性自由度INFIN92-D線型，2節(jié)點磁矢勢(AZ)INFIN1102-D四邊形，4個或8個節(jié)點磁矢勢(AZ)、電勢、溫度表2-3. 通用電路單元單元維數(shù)形狀或特性自由度注意CIRCU124無通用電路單元，最多可6節(jié)點每節(jié)點最多可有三個；可以是電勢、電流或電動勢降通常與磁場耦合時使用2-D單元用矢量位方法（即求解問題時使用的自由度為矢量位）。因為單元是二維的，故每個節(jié)點只有一個矢量位自由度：AZ(Z方向上的矢量位)。時間積分電勢(VOLT)用于載流塊導(dǎo)體或給導(dǎo)體施加強制終端條件。還有一個附加的自由度，電流(CURR)，是載壓線圈中每匝中的電流值，便于給源線圈加

17、電壓載荷，它常用于載壓線圈和電路耦合。當(dāng)電壓或電流載荷是通過一個外部電路施加時，就需要CIRCU124單元具有AZ、CURR和EMF（電動勢降或電勢降）這幾個自由度。（關(guān)于電磁電路耦合的更詳細(xì)信息，參見ANSYS耦合場分析指南）。2.3靜態(tài)磁場分析的步驟靜態(tài)磁場分析分以下五個步驟：1.創(chuàng)建物理環(huán)境2.建立模型，劃分網(wǎng)格，對模型的不同區(qū)域賦予特性3.加邊界條件和載荷（激磁）4.求解5.后處理（查看計算結(jié)果）下面將詳細(xì)討論這幾個步驟，在本章末，還有一個螺線管電磁鐵的2D靜態(tài)分析例題。這個例題是以ANSYS圖形用戶界面的方式來做的，并且還給出了相應(yīng)的ANSYS命令格式。2.3.1創(chuàng)建物理環(huán)境在定義一

18、個分析問題的物理環(huán)境時，進入ANSYS前處理器，建立這個物理物體的數(shù)學(xué)仿真模型。按照以下步驟來建立物理環(huán)境：1、設(shè)置GUI菜單過濾2、定義分析標(biāo)題（/TITLE）3、說明單元類型及其選項（KEYOPT選項）4、定義單元坐標(biāo)系5、設(shè)置實常數(shù)和單位制6、定義材料屬性2.3.1.1設(shè)置GUI過濾如果你是通過GUI路徑來運行ANSYS，當(dāng)ANSYS被激活后第一件要做的事情是選擇菜單路徑：Main MenuPreferences，在對話框出現(xiàn)后，選擇Magnetic-Nodal。因為ANSYS會根據(jù)你選擇的參數(shù)來對單元進行過濾，選擇Magnetic-Nodal以確保能夠使用用于2-D靜態(tài)磁場分析的單元。

19、分頁2.3.1.2定義分析標(biāo)題給你所進行的分析一個能夠代表所分析內(nèi)容的標(biāo)題，比如“2-D solenoid actuator static analysis”，確認(rèn)使用一個能夠與其他相似物理幾何模型區(qū)別的標(biāo)題。用下列方法定義分析標(biāo)題。命令：/TITLEGUI:：Utility MenuFileChange Title2.3.1.3定義單元類型及其選項與其他分析一樣，進行相應(yīng)的單元選擇，詳細(xì)過程參見ANSYS基本過程指南。各種不同的單元組合在一起，成為具體的物理問題的抽象模型。根據(jù)處理問題的不同，在模型的不同區(qū)域定義不同的單元。例如，鐵區(qū)用一種單元類型，而絞線圈需要用另一種單元類型。你所選擇的單

20、元及它們的選項（KEYOPTs，后面還要詳細(xì)討論）可以反映待求區(qū)域的物理事實。定義好不同的單元及其選項后，就可以施加在模型的不同區(qū)域。下面的表格和圖形顯示在2-D分析中存在兩種不同區(qū)域?？諝釪OF: AZ材料特性：MUr(MURX), rho (RSVX) (如要計算焦耳熱)鐵DOF: AZ材料特性：MUr(MURX)或B-H曲線(TB命令)永磁體DOF: AZ材料特性：MUr(MURX)或B-H曲線(TB命令)，Hc(矯頑力矢量MGXX,MGYY)注：永磁體的極化方向由矯頑力矢量和單元坐標(biāo)系共同控制。載流絞線圈DOF: AZ材料特性：MUr(MURX)特殊特性：加源電流密度JS(用BFE,J

21、S命令)注：假定絞線圈內(nèi)有不受外界影響的電流。可以根據(jù)線圈匝數(shù)，每匝中的電流和線圈橫截面積來計算電流密度。載壓絞線圈DOF: AZ,CURR材料特性：MUr(MURX), rho (RSVX)實常數(shù)：CARE,TURN,LENG,DIRZ,FILL特殊特性：加電壓降VLTG(用BFE命令)，耦合CURR自由度。注：用單元PLANE53建模，外加電壓不受外界環(huán)境影響。運動導(dǎo)體DOF: AZ材料特性：MUr(MURX)或B-H曲線(TB命令), rho (RSVX)實常數(shù)：VELOX,VELOY,OMEGAZ,XLOC,YLOC注：運動物體不允許在空間上有“材料”的改變。用PLANE13和PLAN

22、E53單元表示所有的內(nèi)部區(qū)域，包括鐵區(qū)，導(dǎo)電區(qū)，永磁體區(qū)和空氣等。分頁模擬一個平面無邊界問題，可采用2節(jié)點邊界元INFIN9或4/8節(jié)點邊界元INFIN110。INFIN9或INFIN110能模擬磁場的遠(yuǎn)場衰減，而且相對于給定磁流平行或垂直邊界條件而言，遠(yuǎn)場單元可得到更好的計算結(jié)果。大多數(shù)單元類型都有關(guān)鍵選項（KEYOPTs），這些選項用以修正單元特性。例如，單元PLANE53有如下KEYOPTs：KEYOPT（1）選擇單元自由度KEYOPT（2）指定單元采用通用速度方程還是不計速度效應(yīng)KEYOPT（3）設(shè)定平面或軸對稱選擇KEYOPT（4）設(shè)置單元坐標(biāo)系類型KEYOPT（5）說明單元結(jié)果打印

23、輸出選項KEYOPT（7）保存磁力，用以與有中間節(jié)點或無中間節(jié)點結(jié)構(gòu)單元進行耦合每種單元類型具有不同的KEYOPT設(shè)置，同一個KEYOPT對不同的單元含義也不一樣。KEYOPT（1）一般用于控制附加自由度的采用，這些附加自由度用來模擬求解區(qū)間內(nèi)不同的物理區(qū)域（例如，絞線導(dǎo)體、大導(dǎo)體、電路耦合導(dǎo)體等）。關(guān)于KEYOPT設(shè)置的詳細(xì)情況參見ANSYS單元手冊。設(shè)置單元關(guān)鍵選項的方式如下：命令：ETKEYOPTGUI：Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/delete2.3.1.4定義單元坐標(biāo)系如果你的材料是分層的（迭片材料），或者永磁材料的極性是任意的，

24、那么定義完單元類型及選項后，還需要說明單元坐標(biāo)系（缺省為全局笛卡爾坐標(biāo)系），這首先要定義一個局部坐標(biāo)系（通過原點坐標(biāo)及方向角來定義），方式如下：命令：LOCALGUI:Utility MenuWorkPlaneLocal Coordinate SystemsCreateLocal CSAt Specified Loc局部坐標(biāo)系可以是笛卡爾坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系（圓或橢圓）、球坐標(biāo)系或環(huán)形坐標(biāo)系。一旦定義了一種或多種局部坐標(biāo)系，就需設(shè)置一個指針，確定即將定義的單元的坐標(biāo)系，設(shè)置指針的方式如下：命令：ESYSGUI: Main MenuPreprocessor-Attributes-DefineDefa

25、ult AttribsMain MenuPreprocessorCreateElementsElem AttributesMain MenuPreprocessorOperateExtrude/Sweep2.3.1.5定義單元實常數(shù)和單位制單元實常數(shù)和單元類型密切相關(guān)，用族命令（如R,RMODIF等）或其相應(yīng)菜單路徑來說明。在電磁分析中，你可用實常數(shù)來定義絞線圈的幾何形狀、繞組特性以及描述速度效應(yīng)等。當(dāng)定義實常數(shù)時，要遵守如下二個規(guī)則：1. 必須按次序輸入實常數(shù)，詳見ANSYS單元手冊中的列表。2. 對于多單元類型模型，每種單元采用獨立的實常數(shù)組（即不同的REAL參考號）。但是，一個單元類型可

26、注明幾個實常數(shù)組。命令：RGUI：Main MenuPreprocessorReal Constants系統(tǒng)缺省的單位制是MKS制（米安培秒），你可以改變成你所習(xí)慣的一種新的單位制，但載壓導(dǎo)體或電路耦合的導(dǎo)體必須使用MKS單位制。一旦選用了一種單位制，以后所有的輸入均要按照這種單位制。命令：EMUNITGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsElectromag Units根據(jù)所選定的單位制，空氣的導(dǎo)磁率0410-7H/M（在MKS制中），或0EMUNIT命令（或其等效的圖形用戶界面路徑）定義的值。2.3.1.6定義材料特性你的模型中可以有下列一種或多種

27、材料區(qū)域：空氣（自由空間），導(dǎo)磁材料，導(dǎo)電區(qū)和永磁區(qū)。每種材料區(qū)都要輸入相應(yīng)的材料特性。ANSYS程序材料庫中有一些已定義好材料特性的材料，可以直接使用它們，也可以修改成需要的形式再使用。ANSYS材料庫中已定義好的材料如下：材料材料性質(zhì)文件Copper（銅）emag Copper. SI_MPLM3 steel（鋼）emag M3. SI_MPLM54 steel（鋼）emag M54. SI_MPLSA1010 steel（鋼）emag Sa1010. SI_MPLCarpenter steel（硅鋼）emag Silicon. SI_MPLIron Cobalt Vanadium ste

28、el（鐵鈷釩鋼）emag Vanad. SI_MPL該表中銅的材料性質(zhì)定義有與溫度有關(guān)的電阻率和相對導(dǎo)磁率，所有其他材料的性質(zhì)均定義為BH曲線。對于列表中的材料，在ANSYS材料庫內(nèi)定義的都是典型性質(zhì)，而且已外推到整個高飽和區(qū)。你所需的實際材料值可能與ANSYS材料庫提供值有所不同，因此，必要時可修正所用ANSYS材料庫文件以滿足用戶所需。分頁2.3.1.6.1訪問材料庫文件：下面介紹讀寫材料庫文件的基本過程。詳細(xì)參見ANSYS入門指南和ANSYS基本過程手冊。讀材料庫文件，進行以下操作：1. 如果你還沒有定義好單位制，用/UNITS命令定義。注意：缺省單位制為MKS,GUI列表只列出當(dāng)前被激

29、活單位制的材料庫文件。2. 定義材料庫文件所在的路徑。（你需要知道系統(tǒng)管理員放置材料庫文件的路徑）命令：/MPLIB,read,pathdataGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial LibraryLibrary Path3. 將材料庫文件讀入到數(shù)據(jù)庫中。命令：MPREAD,filename,LIBGUI:Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial LibraryImport LibraryMain MenuPreprocessorLoads-Load Step Opts-OtherChang

30、e MatPropsMaterial LibraryImport Library寫材料庫文件，進行以下操作：1. 用MP命令或菜單Main MenuPreprocessorMaterial PropsIsotropic編輯材料性質(zhì)定義，然后將改后的材料特性寫回到材料庫文件當(dāng)中去。2.在前處理器中執(zhí)行下列命令：命令：MPWRITE,filename,LIB,MATGUI:Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial LibraryExport Library2.3.1.6.2定義材料屬性和實常數(shù)的一般原則下面講述關(guān)于設(shè)置物理模型區(qū)域的一般原則。在“2-D

31、諧波（AC）分析”中也詳細(xì)描述了2-D模型中需要設(shè)定的一些特殊區(qū)域。1）空氣：說明相對磁導(dǎo)率為1.0。命令：MP,murxGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterialModels Electromagnetics Relative Permeability Constant2）導(dǎo)磁材料區(qū)：說明B-H曲線，可以從庫中讀出，也可以自己輸入。命令：MPREAD,filename,GUI:Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial LibraryImport Library命令：TB,TBPTGUI:Mai

32、n MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsElectromagnetics BH Curve*輸入B-H曲線必須要遵守的規(guī)則：1.B與H要一一對應(yīng)，且應(yīng)B隨H是單調(diào)遞增，如圖1所示。B-H曲線缺省通過原點，即（0，0）點不輸入。用下面的命令驗證B-H曲線：命令：TBPLOTGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsElectromagneticsBH Curve2. ANSYS程序根據(jù)B-H曲線自動計算n-B2曲線（n為磁阻率），它應(yīng)該是光滑且連續(xù)的，可用TBPLOT命令來驗

33、證，如圖1所示。3. B-H曲線應(yīng)覆蓋材料的全部工作范圍，確保足夠多的數(shù)據(jù)點以完整描述曲線如果需要超出B-H曲線的點，程序按斜率不變自動進行外延處理，你可以如下改變X-軸的范圍并用TBPLOT命令畫圖來觀察其外推情況。命令：/XRANGEGUI: Utility MenuPlotCtrlsStyleGraphs其他原則：1如果材料是線性的，那只需如下說明相對磁導(dǎo)率mr（可以是各向同性或各向異性）。命令：MP,murxGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsElectromagnetics Relative Permeabil

34、ityConstant2如果對同一種材料既定義了非線性的B-H曲線，又定義了相對磁導(dǎo)率，ANSYS將只使用其相對磁導(dǎo)率。3各向異性材料的相對磁導(dǎo)率可用MP命令的MURX、MURY、MURZ域來分別進行定義，聯(lián)合使用B-H曲線和相對磁導(dǎo)率可定義正交各向異性材料的其中一個方向的非線性行為（如疊片鐵磁材料）。要在材料的某個方向上定義B-H曲線，只需將該方向上的相對磁導(dǎo)率定義為零即可。例如，假設(shè)對材料2定義了B-H曲線，而只希望該B-H曲線作用在材料的Y軸上，而材料的X軸和Z軸都只定義相對磁導(dǎo)率1000，則可按如下步驟完成mp,murx,2,1000mp,mury,2,0!read B-H curve

35、 for material 2mp,murz,2,1000分頁2.3.1.7源導(dǎo)體區(qū)：源導(dǎo)體即連有外部電流“發(fā)生器”（提供穩(wěn)恒電流）的導(dǎo)體，當(dāng)你要計算焦耳熱損耗時需說明它的電阻率，電阻率可以是各向同性或正交各向異性。命令：MP,rsvxGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models ElectromagneticsResistivityIsotropic在靜態(tài)分析中，阻抗僅僅用于損耗計算。2.3.1.8運動導(dǎo)體區(qū)域：對一個運動導(dǎo)體進行分析（速度效應(yīng)），要規(guī)定各向同性電阻率（以上所示方法）?？汕蠼膺\動體在特定情況下的電磁場，這些特定

36、情況為：運動體本身表現(xiàn)為一種均勻運動體，亦即運動“材料”在空間保持不變，如圖2所示的兩種情況：第一種情況，一個實體轉(zhuǎn)子繞軸以一個不變速率旋轉(zhuǎn)。第二種情況，一個“無限”長導(dǎo)體以不變的速度平移。諸如開槽轉(zhuǎn)子以不變速度旋轉(zhuǎn)等情形就不能考慮速度效應(yīng)，因為這種情況下，電機中的“槽”就表示了旋轉(zhuǎn)體在材料上不連續(xù)。另外，有限寬的平移導(dǎo)體在磁場中移動也不能考慮速度效應(yīng)。典型的能考慮速度效應(yīng)的例子是實體轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機，直線感應(yīng)電機和渦流制動系統(tǒng)等。靜態(tài)分析要求輸入運動導(dǎo)體的平移速度或旋轉(zhuǎn)速率，速度值和轉(zhuǎn)動中心點坐標(biāo)通過單元實常數(shù)來定義。速度效應(yīng)通過單元關(guān)鍵選項來激活，而且只有PLANE53單元有此功能。2.3.1

37、.9運動體分析的實常數(shù)有：VELOX，VELOY 在總體直角座標(biāo)系的X和Y方向上的速度分量。OMEGAZ 關(guān)于總體直角座標(biāo)系Z軸的角(旋轉(zhuǎn))速度(以周/秒(HZ)表示)。XLOC，YLOC 轉(zhuǎn)動中心點在總體直角座標(biāo)系上的X、Y坐標(biāo)值。運動體電磁分析問題的分析結(jié)果精度與網(wǎng)格的精細(xì)程度、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率和速度相關(guān)，可用磁雷諾數(shù)（Reynolds Number）來表示：Mrevd /式中為磁導(dǎo)率、為電阻率、v為速度、d為導(dǎo)體有限元單元的特征長度（沿運動方向），磁雷諾數(shù)只在靜態(tài)或瞬態(tài)分析中有意義。運動方程只是在磁雷諾數(shù)相對小時才有效和精確，典型量級為1.0，高雷諾數(shù)時精度隨問題而變化。在后處理中可計算和

38、獲得磁雷諾數(shù)。除磁場解外，還可在在后處理中得到由速度引起的電流，即速度電流密度（JVZ）。2.3.1.10永磁區(qū)：需要說明永磁體的退磁B-H曲線（如果是線性，可用相對導(dǎo)磁率）和磁矯頑力矢量(MGXX,MGYY或MGZZ)。命令：MPGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsElectromagneticsBH Curve退磁B-H曲線通常在第二象限，但需按第一象限輸入，在輸入的H值中要增加一個偏移量Hc（定義如下），圖3顯示了實際退磁曲線和ANSYS退磁曲線的差別。Hc為矯頑力矢量的幅值，矯頑力矢量常和單元坐標(biāo)系一起定義永磁體

39、的極化軸方向。分頁下面例題所示為一個條形磁體在總體坐標(biāo)XY平面內(nèi)處于與X軸呈300夾角的軸線上, 磁體單元被假定賦予一個局部單元座標(biāo)系，該局部坐標(biāo)系的X軸與極化方向一致。本例還展示了磁體退磁特性和相應(yīng)的材料性質(zhì)輸入。/PREP7HC=3000! 矯頑力BR=4000! 剩磁感應(yīng)強度THETA=30! 永磁體極性方向*AFUN,DEG! 角度以度表示MP,MGXX,2,HC! 矯頑力X分量! B-H 曲線:TB,BH,2! 材料號2的BH曲線TBPT,DEFI,-3000+HC,0! 偏移后的BH曲線TBPT,-2800+HC,500! 第一點“DEFI”缺省TBPT,-2550+HC,1000

40、TBPT,-2250+HC,1500TBPT,-2000+HC,1800TBPT,-1800+HC,2000TBPT,-1350+HC,2500TBPT,-900+HC,3000TBPT,-425+HC,3500TBPT,0+HC,4000TBPLOT,BH,2! 繪制BH曲線圖4展示了在第一象限內(nèi)創(chuàng)建的永磁體BH曲線，在ANSYS命令手冊中，對*AFUN、MP、TB、TBPLOT等命令有更詳細(xì)的描述。聯(lián)合使用一條BH曲線和正交相對磁導(dǎo)率，可以描述非線性正交材料（疊片結(jié)構(gòu)）。在每一個相對磁導(dǎo)率為零的單元坐標(biāo)系方向上，ANSYS將使用該B-H曲線。分頁2.3.1.11載壓絞線圈：對載壓絞線圈，要

41、定義電阻率。按如下方式定義：命令：MP,rsvxGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsElectromagneticsResistivityIsotropic絞線圈是按形纏繞的單股連續(xù)型線圈，如下圖圖5所示。對這樣的線圈要定義各向同性（且只能是各向同性）電阻值。載壓絞線圈只能用PLANE53單元來建模，還需要定義下列實常數(shù):CARE線圈橫截面積。無論對稱性如何，此常數(shù)代表絞線型線圈的實際物理面積。TURN線圈總匝數(shù)。無論對稱性如何，此常數(shù)代表絞線型線圈的實際總匝數(shù)。LENGZ-方向上線圈長度。在2-D平面分析中，此常數(shù)代表

42、線圈的實際長度。DIRZ電流方向，詳見單元手冊對PLANE53的描述。FILL線圈填充因子。此常數(shù)代表線圈組在線圈橫截面積中所占的比例，它影響線圈的電阻值（還可以用它來“調(diào)正”線圈電阻值）。2.3.2建模，分網(wǎng)，指定特性建模過程可參照ANSYS建模和分網(wǎng)指南，然后在模型各個區(qū)域內(nèi)指定特性（單元類型、選項、單元坐標(biāo)系、實常數(shù)和材料性質(zhì)等，參見“（）建立物理環(huán)境”部分。通過GUI為模型中的各區(qū)賦予特性：1. 選擇Main MenuPreprocessor-Attributes-DefinePicked Areas2. 點擊模型中要選定的區(qū)域。3. 在對話框中為所選定的區(qū)域說明材料號、實常數(shù)號、單元

43、類型號和單元坐標(biāo)系號。4. 重復(fù)這些步驟，直至處理完所有區(qū)域。通過命令為模型中的各區(qū)賦予特性：ASEL（選擇模型區(qū)域）MAT（說明材料號）REAL（說明實常數(shù)組號）TYPE（指定單元類型號）ESYS（說明單元坐標(biāo)系號）指定完畢各區(qū)域特性后，就可劃分有限元網(wǎng)格了，詳見ANSYS建模和分網(wǎng)指南。2.3.3施加邊界條件和載荷既可以給實體模型（關(guān)鍵點、線、面）也可以給有限元模型（節(jié)點和單元）施加邊界條件和載荷，在求解時，ANSYS程序自動將加到實體模型上載荷轉(zhuǎn)遞到有限元模型上。通過一系列級聯(lián)菜單，可以實現(xiàn)所有的加載操作。當(dāng)選擇Main Menu Solution Loads Apply Magneti

44、c時，ANSYS程序?qū)⒘谐鏊械倪吔鐥l件和三種載荷類型。然后選擇合理的類型和合理的邊界條件或載荷。對于一個2D靜態(tài)分析，能選擇的邊界條件和載荷如下：-Boundary-Excitation-Flag-Other-Vector Poten-Curr Density-Comp. Force-Curr Segment-On KeypointsOn Keypoints-Infinite Surf-On KeypointsOn NodesOn NodesOn LinesOn Nodes-Flux Parl-On ElementsOn Areas-Maxwell Surf-On LinesVoltage

45、DropOn NodesOn LinesOn NodesOn Areas-Flux Normal-On NodesOn Lines-Virtual Disp-On NodesOn KeypointsPeriodic BCsOn Nodes例如，施加電流密度到單元上，GUI路徑如下：GUI：Main MenuPreprocessor-Loads-Apply-Magnetic- -Excitation-Curr Density - On Elements在菜單上你可以見到列出的其他載荷類型或載荷，假如它們呈灰色，就意味著在2-D靜態(tài)分析中不能加該載荷，或該單元類型的KEYOPT選項設(shè)置不合適。另外

46、，也可以通過ANSYS命令來輸入載荷。要列出已存在的載荷，方式如下:GUI: Utility MenuListLoadsload type下面將詳細(xì)描述可以施加的各種載荷：分頁2.3.3.1邊界條件2.3.3.1.1磁矢量位(AZ)通過指定磁矢量位，可以定義磁力線平行、遠(yuǎn)場、周期性邊界、以及外部強加磁場等條件。下表列出了每種邊界條件需要的AZ值：邊界條件AZ值磁力線垂直不需要（自然邊界條件，自然滿足）磁力線平行說明AZ=0，用D命令或GUI路徑Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic-Boundary-Vector Poten-Flux P

47、arl-On Lines orOn Nodes遠(yuǎn)場用遠(yuǎn)場單元INFIN9（只用于平面分析）和INFIN110周期性用PERBC2D宏在節(jié)點上創(chuàng)建奇對稱或偶對稱周期性邊界條件，或用GUI路徑Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic-Boundary -Vector Poten-Periodic BCs。外部強加磁場令A(yù)Z等于一非零值。用GUI路徑Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic-Boundary-Vector Poten-Flux Parl-On Lines/On Nodes磁力線

48、平行邊界條件強制磁力線平行于表面。磁力線垂直邊界條件強制磁力線垂直于表面，是自然邊界條件，自然得到滿足。使用遠(yuǎn)場單元INFIN9和INFIN110來表示模型的無限邊界時，無需說明遠(yuǎn)場為零邊界條件。如果模型具有周期性，或者通量的特性具有重復(fù)性，可用PERBC2D宏命令來定義周期性邊界條件。對于外部強加磁場，直接在合適的區(qū)域施加非0的AZ值就行了。2.3.4加勵磁載荷2.3.4.1源電流密度(JS)此載荷給源導(dǎo)體加電流，在國際單位制中JS的單位為安培米2。在2-D分析中，只有JS的Z分量是有效的，在平面分析中正值表示電流向+Z方向，在軸對稱分析中正值表示電流向-Z 方向。對絞線圈或塊導(dǎo)體來說，電流

49、一般是均勻分布的通常直接將源電流密度載荷加給單元。命令：BFEGUI: Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic-Excitation-Curr Density-On Elements詳細(xì)情況參見ANSYS命令手冊。同樣，也可以用BFA命令把源電流密度施加到實體模型上。用BFTRAN或SBCTRAN命令，把施加到實體模型上的源電流密度轉(zhuǎn)換到有限元單元模型上。2.3.4.2電壓降(VLTG)此載荷給絞線圈加電壓降，只能用MKS單位制。只有對使用了AZ和CURR自由度的PLANE53單元（參見PLANE53單元的KEYOPT(1)選項）才能使用

50、電壓降（VLTG）載荷。電壓降可使用BFE命令加在單元上，也可以用BFA命令加在實體模型的某些面上。用BFTRAN或SBCTRAN命令，把施加到實體模型上的電壓降（VLTG）載荷轉(zhuǎn)換到有限元單元模型上。因為CURR表示線圈每匝的電流，而線圈中的電流值是唯一的，所以加載前必須將線圈所有節(jié)點的CURR自由度耦合起來（否則將導(dǎo)致求解錯誤）。用下列方式進行：命令：CPGUI:Main MenuPreprocessorCoupling/CeqnCouple DOFs2.3.5施加標(biāo)志2.3.5.1力標(biāo)志用FMAGBC宏對需要進行力和力矩計算的部件施加標(biāo)志，該宏自動施加虛位移和Maxwell面標(biāo)志（后面介

51、紹）。建模時，在需要進行力和力矩計算的部件周圍，至少要包圍一層空氣單元。對需要進行力和位移計算的部件的單元命名為一個元件 (Component)，再按下列方式使用FMAGBC宏：命令：FMAGBC,CnamGUI：Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic-FlagComp. Force/Torq在后處理器中使用FMAGBC和TORQSUM宏命令，就可以列出力和力矩的結(jié)果。2.3.5.2無限表面標(biāo)志(INF)這不算真實意義的加載，是有限元方法計算開域問題時，加給無限元（代表物理模型最邊緣的單元）的標(biāo)志。2.3.6其他加載2.3.6.1電流段(

52、CSGX)該載荷是一種節(jié)點電流載荷，不常使用。在軸對稱分析中的電流段為2pr*電流。在MKS單位制中電流段的單位是安培米。電流方向沿Z方向，與自由度AZ保持一致。比如，可以用多個電流段表示一個片狀電流。關(guān)于在節(jié)點上分布式加載的詳細(xì)討論參見ANSYS建模與分網(wǎng)指南。2.3.6.2 Maxwell面(MXWF)Maxwell面不是真正意義上的載荷，它只是表明在這個表面要進行磁場力分布的計算。在flag選項中選擇MXWF就行了。通常，把Maxwell面標(biāo)志施加在鄰近分界面的空氣單元上。ANSYS用Maxwell應(yīng)力張量方法計算鐵區(qū)空氣分界面上的力，并將結(jié)果存儲到這些空氣單元中。在POST1后處理器中

53、對它們求和，可以得到作用到該部分上的合力，并可將這些分布力轉(zhuǎn)換到后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析中?？梢酝瑫r定義多個元件，但這些元件不能共用空氣單元。(比如在兩個部件間只建了一層單元，就會發(fā)生共用。)2.3.6.3磁虛位移(MVDI)磁虛位移標(biāo)志也不是真正意義上的載荷，它只表示給模型中要計算力的部件施加標(biāo)志。和Maxwell面的作用相同，只不過用的是虛功方法。在感興趣區(qū)的所有節(jié)點上說明MVDI=1.0，在鄰近的空氣區(qū)節(jié)點上說明MVDI=0.0(缺省設(shè)置)。也可以說明MVDI1.0，但是通常不用。計算得到的力結(jié)果就貯存在鄰近的空氣單元中。鄰近的感興趣區(qū)域的空氣單元帶最好是等厚度的。在POST1中，可以將每個空氣單

54、元中的力進行求和以得到合力。分頁2.3.7求解下面描述進行2-D靜態(tài)磁場分析求解的基本過程。2.3.8定義分析類型在定義分析類型和分析將用的方程求解器前，要先進入SOULUTION求解器。命令：/SOLUGUI:Main MenuSolution說明分析類型，用下列方式：GUI：選擇Main MenuSolutionNew Analysis并選擇 static 。如果是新的分析，使用命令A(yù)NTYPE，STATIC,NEW.如果是需要重啟動一個分析（重啟動一個未收斂的求解過程，或者施加了另外的激勵），使用命令A(yù)NTYPE,STATIC,REST。如果先前分析的結(jié)果文件Jobname.EMAT,Jobname.ESAV,