Ansys電磁場分析經(jīng)典教程

1、1-1第一章第一章電磁場仿真簡介電磁場仿真簡介. . . . . 第二章第二章二維靜態(tài)分析二維靜態(tài)分析第第1節(jié)節(jié).第第2節(jié)節(jié).第第3節(jié)節(jié).第第4節(jié)節(jié).第第5節(jié)節(jié).第三章第三章二維諧波和瞬態(tài)分析二維諧波和瞬態(tài)分析第第1節(jié)節(jié).第第2節(jié)節(jié).第四章第四章三維電磁場分析三維電磁場分析第第1節(jié)節(jié).第第2節(jié)節(jié).第第3節(jié)節(jié).第第4節(jié)節(jié).第第5節(jié)節(jié).第五章第五章耦合場分析概況耦合場分析概況.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教程綜述教程綜述1-3ANSYS/EMAG能用于模擬工業(yè)電磁裝能用于模擬工業(yè)電磁裝置置

2、電磁裝置當然是電磁裝置當然是3維，但可簡化維，但可簡化 為為2維模維模型型 。模擬可考慮為：模擬可考慮為： 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài) 交流（諧波）交流（諧波） 時變瞬態(tài)時變瞬態(tài) 階躍電壓階躍電壓 PWM(脈寬調制）脈寬調制） （Pulse Width Modulation) 任意任意1-4利用軸對稱銜鐵和平面定子設計利用軸對稱銜鐵和平面定子設計致動器的一個實例致動器的一個實例 銜鐵旋轉銜鐵旋轉 銜鐵氣隙可變化銜鐵氣隙可變化完整模型由完整模型由2個獨立部件組成個獨立部件組成 銜鐵模塊銜鐵模塊 定子模塊定子模塊執(zhí)行執(zhí)行: solen3d.avi看動畫看動畫1-5利用如下方式觀察裝置利用如下方式觀察裝置 2D與與3

3、D 平面與軸對稱平面與軸對稱 利用軸對稱平面簡化模型利用軸對稱平面簡化模型定義物理區(qū)域定義物理區(qū)域 空氣，鐵，永磁體等等空氣，鐵，永磁體等等 絞線圈，塊導體絞線圈，塊導體 短路，開路短路，開路為每個物理區(qū)定義材料為每個物理區(qū)定義材料 導磁率（常數(shù)或非線性）導磁率（常數(shù)或非線性） 電阻率電阻率 矯頑磁力，剩余磁感應矯頑磁力，剩余磁感應銜鐵銜鐵線圈線圈錠子錠子實體模型實體模型1-6建實體模型建實體模型給模型賦予屬性以模擬物理區(qū)給模型賦予屬性以模擬物理區(qū)賦予邊界條件賦予邊界條件 線圈激勵線圈激勵 外部邊界外部邊界 開放邊界開放邊界實體模型劃分網(wǎng)格實體模型劃分網(wǎng)格加補充約束條件（如果有必要）加補充約束

4、條件（如果有必要） 周期性邊界條件周期性邊界條件 連接不同網(wǎng)格連接不同網(wǎng)格有限元網(wǎng)格有限元網(wǎng)格1-7進行模擬進行模擬觀察結果觀察結果某指定時刻某指定時刻整個時間歷程整個時間歷程后處理后處理磁力線磁力線力力力矩力矩損耗損耗MMF（磁動勢）磁動勢）電感電感特定需要特定需要1-8模擬由模擬由3個區(qū)域組成個區(qū)域組成銜鐵區(qū)銜鐵區(qū): 導磁材料導磁材料 導磁率為常數(shù)（導磁率為常數(shù)（即線性材料）即線性材料）線圈區(qū)線圈區(qū): 線圈可視為均勻材料線圈可視為均勻材料. 空氣區(qū)空氣區(qū):自由空間自由空間 (r = 1) .銜鐵銜鐵線圈線圈1-9性質性質柱體柱體: r = 1000線圈線圈: r = 1 匝數(shù)匝數(shù): 200

5、0 (整個線圈整個線圈)空氣空氣: r = 1激勵激勵線圈勵磁為直流電流線圈勵磁為直流電流: 2 安安培培單位單位 (mm)銜鐵銜鐵Coil長度長度=35YX模型模型 軸對稱軸對稱材料號材料號 2材料號材料號31-10建模建模 設置電磁學預選項（過濾器）設置電磁學預選項（過濾器） 對各物理區(qū)定義單元類型對各物理區(qū)定義單元類型 定義材料性質定義材料性質 對每個物理區(qū)定義實體模型對每個物理區(qū)定義實體模型 鐵芯鐵芯 線圈線圈 空氣空氣 給各物理區(qū)賦材料屬性給各物理區(qū)賦材料屬性 加邊界條件加邊界條件1-11設置預選過濾掉其它應用的菜單設置預選過濾掉其它應用的菜單Main menupreferences

6、選擇選擇OK1-12定義所有物理區(qū)的單元類型為定義所有物理區(qū)的單元類型為 PLANE53PreprocessorElement typeAdd/Edit/Delete選擇選擇 Add選擇磁矢量和選擇磁矢量和8節(jié)點節(jié)點53號單元號單元選擇選擇 OK1-13模擬模型的軸對稱形狀模擬模型的軸對稱形狀選擇選擇Options（選項）選項）Element behavior（單元行為）單元行為）選擇選擇 Axisymmetric（軸對稱）軸對稱）選擇選擇OK1-14定義材料定義材料PreprocessorMaterial PropsIsotropic 定義空氣為定義空氣為1 1號材料號材料(MURX = 1

7、) 選擇選擇 Apply (自動循環(huán)地定義下一個材料號）自動循環(huán)地定義下一個材料號） 選擇選擇OK1-15定義銜鐵為定義銜鐵為2號材料號材料 選擇選擇OK 選擇選擇 Apply (自動循環(huán)地選擇下一個材料號）自動循環(huán)地選擇下一個材料號）1-16定義線圈為定義線圈為3號材料號材料 (自由空間導磁率，自由空間導磁率，MURX=1) 選擇選擇 OK 選擇選擇 OK (退出材料數(shù)據(jù)輸入菜單）退出材料數(shù)據(jù)輸入菜單）1-17建立銜鐵面建立銜鐵面PreprocessorCreateRectangleBy Dimensions 選擇選擇Apply (重復顯示和輸入重復顯示和輸入) 建立線圈面建立線圈面 選擇選

8、擇 Apply利用利用TAB 鍵移動輸鍵移動輸入窗口入窗口1-18建立空氣面建立空氣面 選擇選擇 OK到了這步，建立了全部平到了這步，建立了全部平面，但它們還沒有連接起面，但它們還沒有連接起來來.銜鐵銜鐵線圈線圈1-19用用Overlap迫使全部平面連接在一起迫使全部平面連接在一起PreprocessorOperate OverlapAreas按按Pick All現(xiàn)在這些平面被連接了，因此當現(xiàn)在這些平面被連接了，因此當生成單元時，各區(qū)域將共享區(qū)域生成單元時，各區(qū)域將共享區(qū)域邊界上節(jié)點邊界上節(jié)點這種操作后，原先平面被刪除，這種操作后，原先平面被刪除，而新的平面被重新編號而新的平面被重新編號1-2

9、0這些平面要求與物理區(qū)和材料聯(lián)系起來這些平面要求與物理區(qū)和材料聯(lián)系起來Preprocessor-Attributes-DefinePicked Areas用鼠標點取銜鐵平面用鼠標點取銜鐵平面選擇選擇OK (在選取框內）在選取框內）材料號窗口輸入材料號窗口輸入2 選擇選擇 OK對于沒有明確定義屬性的對于沒有明確定義屬性的面，其屬性缺省為面，其屬性缺省為11-21這些平面要求與物理區(qū)和材料聯(lián)系起來這些平面要求與物理區(qū)和材料聯(lián)系起來Preprocessor-Attributes-DefinePicked Areas選取線圈平面選取線圈平面（在選擇對話框里）點?。ㄔ谶x擇對話框里）點取OK 材料號窗口輸

10、入材料號窗口輸入3 點點 OK1-22加通量平行邊界條件加通量平行邊界條件Preprocessorloadsapply-magnetic-boundary-flux-parl 選選On Lines并選取相應的線并選取相應的線選選 OK“所選取的線所選取的線”“所選取的線所選取的線”注：未劃分單元前，加注：未劃分單元前，加上這種邊界條件上這種邊界條件1-23生成有限元網(wǎng)格生成有限元網(wǎng)格利用智能尺寸選項來控制網(wǎng)格大小利用智能尺寸選項來控制網(wǎng)格大小Preprocessor-Meshing-Size Cntrls-smartsize-basic 選擇選擇OK1-24Preproc-Meshing-Me

11、sh-Areas-Free在選取框內選擇在選取框內選擇ALL選擇選擇OK打開繪制單元的材料屬性打開繪制單元的材料屬性UtilityPlotCtrlsNumbering 選擇選擇 OK1-25力邊界條件標志需要單元部件，即一組具有力邊界條件標志需要單元部件，即一組具有 “名稱名稱”的單元的單元把銜鐵定義為一個單元組件把銜鐵定義為一個單元組件 選擇銜鐵平面選擇銜鐵平面Utilityselectentities用此選項在圖形窗用此選項在圖形窗口中選擇平面口中選擇平面再次選擇用再次選擇用APPLY 一旦銜鐵已選好，選擇一旦銜鐵已選好，選擇OK (在選取框內）在選取框內）1-26選擇與已選平面相對應的單

12、元選擇與已選平面相對應的單元 選擇選擇 OK 圖示銜鐵單元圖示銜鐵單元 Utilityplotelements銜鐵單元銜鐵單元用用“面面”1-27使單元與銜鐵組件聯(lián)系起來使單元與銜鐵組件聯(lián)系起來UtilitySelectComp/AssemblyCreate Component 選擇選擇 OK1-28加力邊界條件標志加力邊界條件標志 PreprocessorLoadsApply-Magnetic-FlagComp Force 選擇選擇OK 施加兩個標志，用兩個不同的方法來計算力施加兩個標志，用兩個不同的方法來計算力 Maxwells 應力張量應力張量 虛功虛功即使只有一種選項，也要鼠即使只有一

13、種選項，也要鼠標選取標選取1-29以毫米單位生成的模型，最好把模型尺寸變換為國際單位制（變換系數(shù)以毫米單位生成的模型，最好把模型尺寸變換為國際單位制（變換系數(shù) =.0001)使整個模型激活使整個模型激活 UtilitySelectEverything縮放平面縮放平面-不用拷貝不用拷貝Preprocoperatescaleareas 選擇選擇 OK1-30給線圈平面施加電流密度給線圈平面施加電流密度選擇線圈平面選擇線圈平面UtilitySelectEntity選擇選擇OK ( 實體選擇框實體選擇框)選擇線圈平面選擇線圈平面選擇選擇 OK (選取框內選取框內)1-31激勵線圈要求電流密度，故要得到

14、線圈截面積激勵線圈要求電流密度，故要得到線圈截面積.PreprocessorOperateCalc Geometric ItemsOf Areas選擇選擇OK要用線圈面積來計算電流密度，將線圈面積賦予參數(shù)要用線圈面積來計算電流密度，將線圈面積賦予參數(shù)CAREAUtilityParameterGet Scalar Data 選擇選擇 OK1-32下面窗口輸入面積的參數(shù)名，用于后面電流密度輸入下面窗口輸入面積的參數(shù)名，用于后面電流密度輸入去掉面號（如果有的話）去掉面號（如果有的話）這相應于幾何面積總和這相應于幾何面積總和 選擇選擇 OK1-33把電流密度加到平面上把電流密度加到平面上Preproc

15、essorLoadsApplyExcitationOn Areas (因為只激活了線圈平面，可在選取框內選擇因為只激活了線圈平面，可在選取框內選擇Pick All） 選擇選擇 OK1-34進行計算進行計算Solu-solve-electromagnetOpt & Solve 選擇選擇OK這些適用于用這些適用于用BH 數(shù)據(jù)來進行的分析，本題將忽略數(shù)據(jù)來進行的分析，本題將忽略1-35生成磁力線圈生成磁力線圈Postprocplot results2D flux lines選擇選擇 OK使用缺省設置，選擇使用缺省設置，選擇OK, （在通常情在通常情況下，可這樣做）況下，可這樣做）單元邊緣圍繞的一個紅

16、色輸廓表示該單元邊緣圍繞的一個紅色輸廓表示該區(qū)域為同類材料號區(qū)域為同類材料號1-36計算力計算力PostprocElec&Mag CalcComp. Force 選擇選擇 OK銜鐵上力是在總體坐標銜鐵上力是在總體坐標系下表示的，此力的方系下表示的，此力的方向為使氣隙縮小向為使氣隙縮小必須用鼠標選取必須用鼠標選取1-37顯示總磁通密度值顯示總磁通密度值 (BSUM) PostprocPlot ResultsNodal Solution 選擇選擇 OK1-38第二章第二章第第2節(jié)節(jié)二維靜磁學二維靜磁學1-39模型邊界條件有模型邊界條件有: 磁通量垂直磁通量垂直 磁通量平行磁通量平行 周期性對稱周期

17、性對稱 * 偶對稱偶對稱 奇對稱奇對稱根據(jù)單元方程式施加邊界條件根據(jù)單元方程式施加邊界條件 矢量矢量(2D 或或3D) 標量標量 (3D) 基于單元邊基于單元邊 (3D)*在第在第2章來討論章來討論簡單勵磁的平面模型簡單勵磁的平面模型AABB 線圈線圈 (象征性的象征性的)鐵芯鐵芯空氣空氣1-40在在2D靜磁場、交流和瞬態(tài)分析中采用磁矢量勢方法靜磁場、交流和瞬態(tài)分析中采用磁矢量勢方法(MVP) 此公式稱為此公式稱為MVP ，磁通量密度磁通量密度(B) 等于矢量勢等于矢量勢(A) 的旋度的旋度 B = Curl(A)對于二維情況，對于二維情況，A只有只有Z方向分量，在方向分量，在ANSYS中表示

18、為中表示為“AZ” 自由度自由度模型有二種邊界條件描述模型有二種邊界條件描述 -Dirichlet條件（條件（AZ約束）約束） : 磁通量平行于模型邊界磁通量平行于模型邊界 Neumann 條件（自然邊界條件）條件（自然邊界條件）:磁通量垂直于模型邊界磁通量垂直于模型邊界1-41沿沿A-A 通量平行邊界條件需滿足：通量平行邊界條件需滿足： 模型中模型中A-A 的左邊和右邊是相同的左邊和右邊是相同的的 幾何形狀相同幾何形狀相同 材料屬性相同材料屬性相同 左邊和右邊勵磁相位差左邊和右邊勵磁相位差180度（度（即方向相反）即方向相反）對稱平面邊界條件對稱平面邊界條件 沿沿A-A必須加約束必須加約束B

19、B（1/2）對稱模型）對稱模型Pole FaceAA1-42半對稱模型與全模型比較：半對稱模型與全模型比較： 磁通量密度是相同的磁通量密度是相同的 線圈上線圈上Lorentz 力是相同的力是相同的 貯能為貯能為 1/2 極面上力為極面上力為 1/2 加載電流密度與全模型相同加載電流密度與全模型相同 線圈線圈 (象征性的象征性的)簡單導磁體的半對稱模型簡單導磁體的半對稱模型1-43沿沿B-B磁通量垂直邊條件需滿足磁通量垂直邊條件需滿足 B-B線上下兩邊如下參數(shù)是相同的線上下兩邊如下參數(shù)是相同的 幾何形狀幾何形狀 材料性質材料性質 B-B線上下兩邊勵磁相同線上下兩邊勵磁相同對稱面對稱面 (B-B)

20、邊界條件邊界條件 2D磁矢量勢磁矢量勢(MVP)方式，無須處理方式，無須處理 加載電流與全模型相同加載電流與全模型相同Quarter symmetry model of the simple magnetizerBB1-441/4模型與全模型比較模型與全模型比較 磁通密度分布相同磁通密度分布相同 貯能為貯能為1/4 所示線圈上的所示線圈上的Lorentz力力 1/2 作用在極面上力為作用在極面上力為1/2勵磁體勵磁體1/4對稱模型對稱模型BB1-45單元單元plane13 and plane53 用于模擬用于模擬2D磁磁場場 Plane13: 4 節(jié)點四邊形節(jié)點四邊形 耦合場自由度：溫度，結構

21、，磁耦合場自由度：溫度，結構，磁 電源為電源為Z方向方向 B 為線性變化為線性變化 適用于：適用于：Plane13 變壓器變壓器 匯流排匯流排 傳感器傳感器 線性或任意線性或任意 永磁系統(tǒng)永磁系統(tǒng) 螺線管磁體（致動器）螺線管磁體（致動器） 直線或旋轉電機直線或旋轉電機 負載機械負載機械 機械力矩機械力矩1-46 plane53: 8 節(jié)點，四邊形節(jié)點，四邊形 耦合場自由度耦合場自由度: 磁磁 與電路單元耦合與電路單元耦合 電流為電流為 Z 方向方向 B 可為二次非線性變化可為二次非線性變化 通常情況下的推薦使用單元通常情況下的推薦使用單元 適用于精度要求較高的分析適用于精度要求較高的分析 場量

22、分析場量分析 大型機械力矩大型機械力矩中節(jié)點中節(jié)點1-47定義定義Plane13的單元類型和單元選項的單元類型和單元選項Preprocelement type add/ edit/delete選擇選擇ADD選擇選擇Plane13用單元類型號用單元類型號給平面賦屬性給平面賦屬性 選擇選擇OK1-48一旦定義單元類型，要選擇單元一旦定義單元類型，要選擇單元 選項選項單元選項控制單元選項控制: 2D直流模擬為直流模擬為AZ自由度自由度 2D 模擬型式模擬型式 軸對稱軸對稱 平面平面點取單元選項點取單元選項1-49幾何體型幾何體型式式用于直流模擬用于直流模擬 選擇選擇 OK用于定義平面屬性的參考號用于

23、定義平面屬性的參考號因為因為plane13 用于耦合場模擬，故該用于耦合場模擬，故該單元可以具有應力單元可以具有應力/應變結構選項應變結構選項1-50平面與軸對稱比較平面與軸對稱比較端部效應端部效應平面平面: 不包括不包括軸對稱軸對稱: 自動包括自動包括正向電流方向相反正向電流方向相反 線圈線圈兩種情況都是施兩種情況都是施加正向電流加正向電流鐵板鐵板磁流密度矢磁流密度矢量顯示量顯示鐵環(huán)鐵環(huán)軸對稱軸對稱: +Z 電流方向進平面電流方向進平面平面平面:+Z 電流方向出平面電流方向出平面1-51 磁力線描述磁力線描述 平面平面: AZ等值線等值線 軸對稱軸對稱: r AZ 等值線等值線電樞電樞線圈線

24、圈定子定子平面或平面或 軸軸對稱對稱 ?平面或平面或 軸軸對稱對稱 ?1-52 力、能量、電感的描述力、能量、電感的描述 平面平面: 單位長度單位長度 軸對稱軸對稱: 整個圓周上的值整個圓周上的值 力力: 軸對稱軸對稱: 無有效徑向力（相互平衡）無有效徑向力（相互平衡） 單位弧度力不為零（曲度線圈）單位弧度力不為零（曲度線圈）1-53 定義定義Plane53的單元類型和選項的單元類型和選項Preproc.element typeadd/edit/delete 選擇選擇 Add 選擇選擇 8節(jié)點節(jié)點Plane53增加單元類型號以增加單元類型號以給平面賦屬性給平面賦屬性 選擇選擇 OK1-54 定

25、義單元類型后選擇單元定義單元類型后選擇單元選項選項 單元選項控制單元選項控制: 絞線圈電壓加載選項絞線圈電壓加載選項 * 連接電路單元與有限連接電路單元與有限元區(qū)元區(qū)* 模擬運動體的自由度模擬運動體的自由度*包括交流分析包括交流分析plane53單元模擬運動導體示圖單元模擬運動導體示圖 選擇選擇OK1-55考慮速度效應時，要求增加輸入信息考慮速度效應時，要求增加輸入信息 在實常數(shù)中定義。選擇單元選項后，定義實常數(shù)是很方便的在實常數(shù)中定義。選擇單元選項后，定義實常數(shù)是很方便的Preprocreal constants.選擇選擇1-56平面屬性要求實平面屬性要求實常數(shù)設置號常數(shù)設置號速度單位速度單

26、位: 米米/秒秒角速度單位角速度單位: 弧度弧度/秒秒 選擇選擇 OK平面屬性要求賦予平面屬性要求賦予單元類型號數(shù)單元類型號數(shù)1-57第二章第二章 第第 3節(jié)節(jié)2-D靜磁學靜磁學1-58求解模型的單位制求解模型的單位制 : SI力力 (牛頓）牛頓） 能量能量(焦耳焦耳 ）功率（瓦）功率（瓦）長度（米）長度（米）時間（秒）時間（秒）質量（公斤）質量（公斤）磁通密度磁通密度B（特斯拉）特斯拉）磁場強度磁場強度H（安培安培/米）米）電流（安培）電流（安培）電阻率電阻率 （歐姆歐姆-米）米）電壓電壓V（伏）伏）電感電感L（亨）亨）磁導率磁導率r (亨亨/米）米）電容（法拉）電容（法拉）1-59基本關系

27、式基本關系式: B= H, 其中其中 = r 0 可為單一值（線性）可為單一值（線性） 各相同性或正交各向異性各相同性或正交各向異性 Preprocmaterial propsisotropic平面屬性要求賦予平面屬性要求賦予材料質性號材料質性號r 相對磁導率相對磁導率1-60 可為非線性，以模擬飽和狀態(tài)可為非線性，以模擬飽和狀態(tài) BH曲線數(shù)據(jù)能從曲線數(shù)據(jù)能從ANSYS55材料庫中獲得材料庫中獲得 缺省的缺省的BH材料庫在材料庫在ansys55 目錄下的目錄下的matlib子目錄中子目錄中 :Preproc.material propsmaterial librarylibrary path

28、通過指定路徑可在其它位置得到材料數(shù)據(jù)通過指定路徑可在其它位置得到材料數(shù)據(jù)1-61 BH 數(shù)據(jù)可用如下方式輸入數(shù)據(jù)可用如下方式輸入Preprocmaterial propsmaterial libraryimport library 選擇材料選擇材料選擇材料屬性選擇材料屬性 選擇選擇 OK1-62BH 數(shù)據(jù)生成圖形和列表顯示數(shù)據(jù)生成圖形和列表顯示表示在列表示在列表顯示中表顯示中的數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)點號號材料號材料號1-63 數(shù)據(jù)也可列成表格數(shù)據(jù)也可列成表格. 這種表格也能人工制成這種表格也能人工制成Utilitylistpropertiesdata tables 選擇選擇OK1-64數(shù)據(jù)點數(shù)據(jù)點(0,

29、0) 不要輸入不要輸入定義曲線彎曲處的數(shù)據(jù)點要密（見定義曲線彎曲處的數(shù)據(jù)點要密（見M54的數(shù)據(jù)點）的數(shù)據(jù)點）BH曲線要避免生成曲線要避免生成S形形通常通常M鋼定義鋼定義BH數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)到8,000 A/m 數(shù)據(jù)需要外推數(shù)據(jù)需要外推 這些曲線的這些曲線的值通常需要附加大量的數(shù)據(jù)以使得值通常需要附加大量的數(shù)據(jù)以使得值由大逐漸變到最終值由大逐漸變到最終斜率斜率 最終斜率為空氣值最終斜率為空氣值(0)1-65應用實例應用實例: 400系列不銹鋼輸入如下數(shù)據(jù)系列不銹鋼輸入如下數(shù)據(jù) H(A/m) B(T) 790. 0.77 1575. 1.10 2365. 1.30 7875. 1.50 15750. 1

30、.56 31500. 1.63 47245. 1.66 78740. 1.70 1-66 首先定義數(shù)據(jù)表，然后把首先定義數(shù)據(jù)表，然后把BH數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)表中Preproc material propsdata tablesdefine/activate平面屬性要求賦予材料號平面屬性要求賦予材料號 選擇選擇OK1-67 利用編輯激活表格輸入利用編輯激活表格輸入BH數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) Preproc material propsdata tablesedit active 輸入數(shù)據(jù)后，用鼠標點取輸入數(shù)據(jù)后，用鼠標點取 FileApply/Quit 圖示圖示: Preprocmaterial p

31、ropsdata tablesgraph 列表列表: Preprocmaterial propsdata tableslist1-68 實際求解需要用到實際求解需要用到 d/ dB2 為避免粗劣的為避免粗劣的v=Yu 條件曲線，條件曲線， - B2 應該是單調的。應該是單調的。Utilityplotdata tablesgraph NU vs. B*21-69把該曲線數(shù)據(jù)放置在庫內把該曲線數(shù)據(jù)放置在庫內 ，以備將來使用。，以備將來使用。Preproc.material propsmaterial libraryexport material選擇文件名選擇文件名選取生成的選取生成的BH 數(shù)據(jù)的材

32、料屬性數(shù)據(jù)的材料屬性1-70 課題描述課題描述 軸對稱軸對稱 線圈為直流供電線圈為直流供電 銜鐵居中但懸空在定子上方。銜鐵居中但懸空在定子上方。 分析順序分析順序 用用axis2d宏建模宏建模 完成建模后，加邊條件完成建模后，加邊條件 求解求解 后處理后處理力力磁動勢磁動勢誤差范數(shù)誤差范數(shù)電流電流磁力線磁力線路徑圖示路徑圖示能量能量電感電感“氣隙氣隙” (mm) “線圈線圈”部件部件 “銜鐵銜鐵”部件部件材料材料號號5 (同銜鐵同銜鐵)1-71勵磁勵磁 直流施加到線圈直流施加到線圈: 3 安培安培性質性質銜鐵銜鐵/定子定子: 上述上述BH 曲線曲線線圈線圈: 300 匝匝, 26線徑，線徑，r

33、 = 1空氣空氣: r = 1 單位單位: 毫米毫米(mm)1-72對于大多數(shù)應用，通常指定電壓，線圈電流是算出來的對于大多數(shù)應用，通常指定電壓，線圈電流是算出來的.26線規(guī)直徑線規(guī)直徑 (Dw )= 0 .404 mm (在在20攝氏度下攝氏度下)銅電阻率銅電阻率 () = 17.14 E-9 - m（在在20攝氏度下攝氏度下）匝數(shù)匝數(shù) (N) = 300線圈中徑為線圈中徑為8 mm (Rmid) 均勻填充圓線圈的電阻為：均勻填充圓線圈的電阻為： R = 16000 N Rmid / Dw2 R = 4.03對于靜態(tài)分析，對于靜態(tài)分析，12 V 電壓相應的電流為電壓相應的電流為2.98安，本

34、分析采用安，本分析采用3安。安。1-73參數(shù)化建模需要：參數(shù)化建模需要： 參數(shù)參數(shù)GAP必須定義必須定義 在命令行輸入在命令行輸入 gap=.5 并回車并回車 點取點取OK選擇分網(wǎng)密度選擇分網(wǎng)密度Preprocsize cntrlbasic1-74axis2s宏生成模型宏生成模型銜鐵單元部件銜鐵單元部件ARMATURE線圈面積參數(shù)線圈面積參數(shù)ACOND線圈單元部件線圈單元部件 COIL 在在ANSYS命令窗口輸入命令窗口輸入axis2s并回車，以建立模型并回車，以建立模型1-75 材料號材料號 1為空氣為空氣 完善邊界條件完善邊界條件 通量平行邊界條件通量平行邊界條件Preprocloadsa

35、pplyboundary-flux par l-lines 選擇模型邊界上的所有線選擇模型邊界上的所有線 1-76如下方式定義材料號如下方式定義材料號 1（自由空間磁導率）（自由空間磁導率） Preprocmaterial propsisotropic 選擇選擇OK 選擇選擇OK1-77給線圈平面加載線圈電流給線圈平面加載線圈電流 Preprocloadsapply excitation-current density-areas選擇線圈平面選擇線圈平面 選擇選擇 OK1-78給銜鐵加力邊界條件標志給銜鐵加力邊界條件標志 PreprocessorLoadsApply-Magnetic-Flag

36、Comp Force 選擇選擇 OK 用不同的方法計算力，故加載兩種標志用不同的方法計算力，故加載兩種標志 Maxwell 應力張量應力張量 虛功虛功 選擇選擇 ARMATURE1-79 選擇所有幾何和有限元實體選擇所有幾何和有限元實體 進行模擬進行模擬 Solutionelectromagneticopt&solve 選擇選擇 OK（采用缺省設置進行求解）采用缺省設置進行求解） 請確認請確認1-80 磁力線磁力線Postprocplot results2D flux lines 注意漏磁位置注意漏磁位置線圈區(qū)線圈區(qū)定子上角定子上角定子與銜鐵交界位置定子與銜鐵交界位置1-81計算力計算力Pos

37、tprocelec&mag calccomp.force 軸對稱模型只產(chǎn)生垂直方向力軸對稱模型只產(chǎn)生垂直方向力 定義單元表項定義單元表項 FVW_Y 虛功虛功Y方向力方向力 FMX_Y Maxwell應力應力Y方向力方向力 環(huán)狀模型力總和環(huán)狀模型力總和 選擇選擇 OK1-82用與銜鐵鄰接的空氣單元來計算銜鐵力，并顯示用與銜鐵鄰接的空氣單元來計算銜鐵力，并顯示首先選擇空氣單元首先選擇空氣單元1) 首先選擇空氣單元首先選擇空氣單元- 材料屬性為材料屬性為1 選擇選擇 Apply2) 用用 Num/Pick從中選取鄰從中選取鄰近銜鐵面空氣單元近銜鐵面空氣單元用框選取用框選取1-83虛功方法計算垂直力

38、并用等值圖顯示虛功方法計算垂直力并用等值圖顯示 Postprocplot resultselem table在氣隙中選取在氣隙中選取空氣單元空氣單元 選擇選擇OK1-84 用路徑圖示選項用路徑圖示選項(PATH) 能獲得沿銜鐵面的力的分布圖能獲得沿銜鐵面的力的分布圖 必須定義路徑必須定義路徑 Postprocpath operationsdefine pathby nodes點取節(jié)點點取節(jié)點 2給一個任意的名字給一個任意的名字增加沿路徑的數(shù)據(jù)采樣點的數(shù)量增加沿路徑的數(shù)據(jù)采樣點的數(shù)量點取節(jié)點點取節(jié)點 1 選擇選擇 OK1-85 路徑定義信息如下路徑定義信息如下 路徑內的結果插值是在總體坐標系下（

39、與柱坐標系或其它局部坐標路徑內的結果插值是在總體坐標系下（與柱坐標系或其它局部坐標系相比）系相比） 路徑由直線組成路徑由直線組成1-86 單元表項單元表項FVW_Y 中的力必須插值到路徑上中的力必須插值到路徑上 Postprocpath operationsmap onto path 任意名任意名 選擇選擇 ETAB.FVW-Y 選擇選擇OK1-87將將FVW_Y沿路徑顯示沿路徑顯示 Postprocpath operations -plot path items- on geometry路徑圖示迭加在幾何體上路徑圖示迭加在幾何體上已定義已定義將路徑顯示圖縮放到一將路徑顯示圖縮放到一個較好的程

40、度個較好的程度 選擇選擇 OK1-88節(jié)點節(jié)點1-89離路徑節(jié)點節(jié)點離路徑節(jié)點節(jié)點1的距離的距離 路徑上的力路徑上的力(F_Y) 也能打印輸出也能打印輸出 Postprocpath operationslist path items 選擇選擇OK1-90線圈線圈Lorentz力（力（J x B）選擇線圈區(qū)域并定義為一個部件。選擇線圈區(qū)域并定義為一個部件。 Utilityselectcomp/assemblyselect comp/assembly 選擇線圈選擇線圈 為為Lorentz 力定義單元表力定義單元表Postproelement tabledefine table選擇選擇 1-91任意

41、名任意名作用于整個圓環(huán)上的作用于整個圓環(huán)上的 X 方向的方向的Lorentz 力力 選擇選擇 OK 選擇選擇 Add1-92 線圈線圈X方向方向 Lorentz 力的等值圖力的等值圖 Postprocelement tableplot elem table 選擇選擇 OK1-93 作用在線圈單元上的總力作用在線圈單元上的總力Postproelement tablesum of each item 該操作作用于全部激活單元上該操作作用于全部激活單元上 相當于相當于360圓周上圓周上的受力的受力 力單位為牛頓力單位為牛頓: N1-94根據(jù)節(jié)點磁場值差異估計誤差，且作為單元表數(shù)據(jù)貯存根據(jù)節(jié)點磁場值差

42、異估計誤差，且作為單元表數(shù)據(jù)貯存Postpromag&elec calc error eval B_ERR 單位單位 (T) H_ERR 單位單位 (Amps/m) BN_ERR 和和HN_ERR 由最大值歸一化由最大值歸一化1-95 BN_ERR 能用磁力線圖進行等值顯示能用磁力線圖進行等值顯示 圖示圖示 BN_ERR單元表項單元表項 Postproelement tableplot elem table 選擇選擇 OK 激活激活NOERASE 選擇選擇 Utilityplot cntrlserase options1-96 圖示磁力線圖示磁力線Postproplot results2D f

43、lux lines 選擇選擇OK1-97 線性和非線性材料的共能計算線性和非線性材料的共能計算 Postproelec&mag calccoenergy 選擇選擇OK1-98也能計算貯能也能計算貯能Postprocelec&mag calcenergy注：鐵的共能大約是貯能的注：鐵的共能大約是貯能的8倍，表示鐵的飽和效應所致倍，表示鐵的飽和效應所致1-99鐵單元的磁導率能用等值圖顯示鐵單元的磁導率能用等值圖顯示Postproelement table 選擇選擇ADDplane53單元在線幫單元在線幫助助 選擇選擇 OK 這是絕對磁導率這是絕對磁導率1-100為了獲得相對磁導率，單元表應乘以為了

44、獲得相對磁導率，單元表應乘以MUZ系數(shù)系數(shù)將自由空間磁導率賦予參數(shù)將自由空間磁導率賦予參數(shù): MUZ=12.57x10-7Postproelement tableadd items用已有名字用已有名字自由空間磁導率參數(shù)自由空間磁導率參數(shù)不需要第二個不需要第二個單元表項單元表項 選擇選擇OK1-101 用等值圖顯示相對磁導率用等值圖顯示相對磁導率MUR Postproelement tableplot elem table注意飽和區(qū)注意飽和區(qū) 選擇選擇t OK1-102 沿閉合線計算磁動勢沿閉合線計算磁動勢 MMF 確保整個模型都被激活確保整個模型都被激活 必須定義圍繞線圈的路徑必須定義圍繞線圈

45、的路徑 Postproelec&mag calcdefine pathby nodes選取如圖所示的選取如圖所示的7個節(jié)點，個節(jié)點，可從任一節(jié)點開始可從任一節(jié)點開始路徑的最終節(jié)點應與起路徑的最終節(jié)點應與起始節(jié)點是同一個始節(jié)點是同一個跨越空氣隙時，氣隙兩邊的跨越空氣隙時，氣隙兩邊的鐵邊界上各選取一個節(jié)點鐵邊界上各選取一個節(jié)點1-103 完成路徑定義完成路徑定義由于鐵與空氣的界由于鐵與空氣的界面處面處H值不連續(xù)，故值不連續(xù)，故應增加采樣點的數(shù)應增加采樣點的數(shù)目目 選擇選擇OK1-104繞閉合回線計算繞閉合回線計算MMF Postproelec&mag calcMMF 選擇選擇 OK MMF正負號由

46、右手定則決定，路徑的反時針方向與線圈電流的方向相反（正負號由右手定則決定，路徑的反時針方向與線圈電流的方向相反（對于軸對稱模型，正電流方向為進行平面方向）對于軸對稱模型，正電流方向為進行平面方向）1-105 為了確定鐵芯飽和程度，沿定子的中間部分定義一個路徑并計算為了確定鐵芯飽和程度，沿定子的中間部分定義一個路徑并計算MMF選取節(jié)點選取節(jié)點 1選取節(jié)點選取節(jié)點2MMF = -384 A-t1-106輸入的總安匝數(shù)為輸入的總安匝數(shù)為900，鐵芯的中間部位有，鐵芯的中間部位有384安匝，也就是空氣隙中只安匝，也就是空氣隙中只有有519安匝（忽略其余鐵芯中的磁動勢）安匝（忽略其余鐵芯中的磁動勢）如果

47、如果384安匝中的大部分都在空氣隙中，磁力會有多大？對于本問題，電安匝中的大部分都在空氣隙中，磁力會有多大？對于本問題，電磁力至少會增加磁力至少會增加2倍。倍?？捎昧硪环N方法顯示這一點：將鐵芯的磁導率設為可用另一種方法顯示這一點：將鐵芯的磁導率設為1000，進行線性求解，進行線性求解1-107檢查邊界條件的正確與否非常重要檢查邊界條件的正確與否非常重要模型邊界磁力線的檢查模型邊界磁力線的檢查 通量平行（用磁力線圖檢查）通量平行（用磁力線圖檢查） 通量垂直（用磁力線圖檢查）通量垂直（用磁力線圖檢查）電流觀察電流觀察 選擇線圈組件選擇線圈組件 Postproelec&mag calccurrent

48、 選擇選擇OK1-108對于線性系統(tǒng)對于線性系統(tǒng): Postproelec&mag calcTerminal par 對于非線性系統(tǒng)一兩種理論選項對于非線性系統(tǒng)一兩種理論選項 割線定義割線定義 增量定義增量定義簡易割線計算簡易割線計算 利用共能利用共能 (C) ， L = 2 Ci2 ， 仿照電機計算仿照電機計算更精確的方法更精確的方法: LMATRIX 宏宏 Solumagneticinductance 見幫助文檔中的說明和實例見幫助文檔中的說明和實例1-109第二章第二章第第4節(jié)節(jié)二維靜磁學二維靜磁學1-110線性永磁體線性永磁體 感應曲線為線性感應曲線為線性 可模擬大部分稀土磁體可模擬大

49、部分稀土磁體 計算需要有計算需要有“感應曲線感應曲線” 要求兩種材料性質要求兩種材料性質 相對磁導率相對磁導率 r 各向同性各向同性 正交各向異性正交各向異性 矯頑磁力矯頑磁力 Hc 矢量值矢量值利用單元坐標系定義材料性質利用單元坐標系定義材料性質 缺省缺省: 總體直角坐標系總體直角坐標系H (Amp/m)B(T)BrHc固有曲線固有曲線感應曲線感應曲線第二象限曲線圖第二象限曲線圖稀土磁體典型曲線稀土磁體典型曲線1-111 r 和和Hc 可以是隨溫度變化可以是隨溫度變化 磁化方向磁化方向 平行平行/垂直于磁體中心線垂直于磁體中心線 相對于某中心點徑向相對于某中心點徑向/環(huán)環(huán)向向 材料庫中不提供

50、材料庫中不提供r 和和 Hc的的缺省值。缺省值。 現(xiàn)代技術的進步使磁體現(xiàn)代技術的進步使磁體性能不斷提高性能不斷提高 年代年代1-112相對于直線感應曲線的磁體只要求相對于直線感應曲線的磁體只要求Hc和一個單值的磁導率和一個單值的磁導率對于永磁材料，為了改善精度，利用剩磁感應密度對于永磁材料，為了改善精度，利用剩磁感應密度(Br) 和和Hc 來計算來計算磁導率磁導率r = Br /(0 Hc)為使用方便，自由空間磁導率參數(shù)為使用方便，自由空間磁導率參數(shù)MUZ可以在命令窗口輸入可以在命令窗口輸入MUZ=acos(-1) * IE-7缺省值時，角度的單位為弧度。用缺省值時，角度的單位為弧度。用SIN

51、或或COS 函數(shù)來計算函數(shù)來計算Hc的分量的分量時，常用時，常用“度度”單位。因此角度的單位要變換：單位。因此角度的單位要變換：Utilityparametersangular units選擇選擇 OK 在輸入窗口中輸入在輸入窗口中輸入HC*COS(60) 來代替數(shù)值輸入來代替數(shù)值輸入1-113各向同性各向同性單元坐標系缺省為總體直角坐標單元坐標系缺省為總體直角坐標系系Preprocmaterial propsisotropic材料材料 2 磁化方向平行于總體坐標+ X 方向Br = 1T Hc=700,000 A/m空氣空氣 選擇選擇 OK 選擇選擇 OK1-114正交各向異性正交各向異性單

52、元坐標系缺省為總體直角坐標系單元坐標系缺省為總體直角坐標系Preprocmaterial propsorthotropic 材料 2 磁化方向為總體坐標磁化方向為總體坐標+X 方方向反時針旋轉向反時針旋轉60 度度Br=1 Hc=700,000 A/m 選擇選擇 OK 選擇選擇 OK1-115Hc值仍然為值仍然為700,000 A/mHc是在總體直角坐標下表示是在總體直角坐標下表示的的由于模型對稱，由于模型對稱， B的最大值的最大值不變不變 材料材料 21-116問題描述問題描述 平面，圓環(huán)磁體平面，圓環(huán)磁體 磁體四極設置在磁體外圓圈磁體四極設置在磁體外圓圈上上 磁化方向為極向（柱坐標系磁化方

53、向為極向（柱坐標系）分析目的分析目的 模擬磁化特性模擬磁化特性SNSN磁極中心（象征性的）磁極中心（象征性的）1-117屬性屬性磁體磁體:Hc = 50,000 A/m Br = 850 Gauss尺寸尺寸:內徑內徑 = .5 cm 外徑外徑 = 1 cm勵磁勵磁:沒有沒有永磁體永磁體1-118對稱條件對稱條件 只需模擬一個磁極只需模擬一個磁極邊界條件邊界條件 側邊側邊: 通量平行通量平行 外半徑外半徑: 通量垂直通量垂直為了確定外半徑上的磁極中心，為了確定外半徑上的磁極中心，需要定義一個局部坐標系，該局需要定義一個局部坐標系，該局部坐標系的部坐標系的X軸為總體軸為總體X軸反時針軸反時針旋轉旋

54、轉45度度通量平行條件通量平行條件磁極中心磁極中心1-119 輸入輸入cir1pole.mac宏建立模型宏建立模型 定義材料定義材料2的磁體性質的磁體性質 Preprocmaterial propsorthotropic材料材料 2材料材料 1 選擇選擇 OK1-120 輸入輸入Y方向磁體屬性（柱坐標系的切線方向，該坐標系待后定義）方向磁體屬性（柱坐標系的切線方向，該坐標系待后定義） 選擇選擇OK 選擇選擇OK 輸入空氣的各向同性磁導率（材料輸入空氣的各向同性磁導率（材料1）Preproc.material propsisotropic 選擇選擇OK1-121在外半徑上離總體坐標系在外半徑上離

55、總體坐標系+X 軸軸45度處，定義局部坐標度處，定義局部坐標11Utilityworkplanelocal coord. systemscreate local CSat specified loc 在在ANSYS輸入窗口中，利用外半徑輸入窗口中，利用外半徑0.01，角度，角度45，輸入局部坐標系原點，輸入局部坐標系原點位置坐標位置坐標 回車（鍵盤）回車（鍵盤） 在建立局部坐標系框內選擇在建立局部坐標系框內選擇OK1-122定義了局部坐標系定義了局部坐標系11后，在單元圖上會顯示其標志后，在單元圖上會顯示其標志11號局部極坐標系，其號局部極坐標系，其與磁極中心相對應與磁極中心相對應1-123輸

56、入輸入11以標志該坐標系以標志該坐標系選擇坐標系的類型選擇坐標系的類型在命令行輸入的參數(shù)表在命令行輸入的參數(shù)表達式的結果達式的結果 選擇選擇 OK1-124磁體單元的單元坐標系磁體單元的單元坐標系(ESYS) 屬性相應于屬性相應于11號局部坐標系號局部坐標系改變單元坐標系改變單元坐標系 通過材料屬性通過材料屬性(2)選擇磁體單元選擇磁體單元Utilityselectentitieselementsby attributesmaterial 2Preprocmove/modifymodify attrib在選擇框內選擇在選擇框內選擇“Pick All” 選擇選擇 OK1-125在模型側邊施加通量

57、平行邊界條件在模型側邊施加通量平行邊界條件. Preprocloadsapplyboundary-flux parl-on lines進行求解進行求解Soluelectromagneticopt&solv 1-126圖形顯示磁力線圖形顯示磁力線 觀察通量平行邊界條觀察通量平行邊界條件件 在磁體平面內磁力線在磁體平面內磁力線呈圓形性質呈圓形性質 由于磁體磁導率低而由于磁體磁導率低而產(chǎn)生漏磁產(chǎn)生漏磁1-127利用磁通密度的矢量圖能觀察場量的大小和方向利用磁通密度的矢量圖能觀察場量的大小和方向 選擇選擇 OK1-128 磁通密度磁通密度B的方向相應于的方向相應于MGYY和和11號坐標系正切向號坐標系

58、正切向1-129磁體非線性感應曲線也能用磁體非線性感應曲線也能用于模擬于模擬.MGXX, MGYY 視為線性磁視為線性磁體輸入體輸入感應曲線用與非永磁體材料感應曲線用與非永磁體材料相同的方法輸入相同的方法輸入 感應曲線的輸入值被偏感應曲線的輸入值被偏置一個置一個Hc 值值Br (T)B (T)Hc (Amp/m)H (Amp/m)1-130Hc = 50,400 (Amp/m)單位單位: H(Amp/m) & B (T)ALNICO 5 系列材料實例系列材料實例輸入數(shù)據(jù)的輸入數(shù)據(jù)的BH曲線曲線1-131最后數(shù)據(jù)點所對應的最后數(shù)據(jù)點所對應的H值應于比值應于比Hc大大最末斜率接近于自由空間的磁導率

59、最末斜率接近于自由空間的磁導率第一個數(shù)據(jù)點并不是原點（即（第一個數(shù)據(jù)點并不是原點（即（0，0）點不需要輸入）點不需要輸入）1-132第二章第二章 第第5節(jié)節(jié)二維靜磁學二維靜磁學 1-133應用應用問題描述問題描述 平面磁性離合器平面磁性離合器 六極裝置六極裝置 平行磁化平行磁化分析目的分析目的 利用奇對稱周期性條件來利用奇對稱周期性條件來模擬模擬1/6模型模型 計算圖示狀態(tài)的力矩計算圖示狀態(tài)的力矩定子定子磁性離合器磁性離合器轉子轉子1-134性質性質定子和轉子磁體定子和轉子磁體:Hc = 750,000 A/m Br = .9896 (r=1.05)定子和轉子磁體定子和轉子磁體SA1010轉子

60、磁化方向轉子磁化方向 (水平方向反時針水平方向反時針30度）度） 定子磁化方向：水平定子磁化方向：水平模型參數(shù)模型參數(shù) 半徑單位半徑單位(R) : 英寸英寸勵磁勵磁: 無無磁離合器磁離合器1/12模型模型轉子鐵，轉子鐵，材料材料 2轉子磁體轉子磁體，材料，材料 3定子磁體定子磁體，材料，材料 6定子鐵，定子鐵，材料材料 5(上面只顯示了一半模型上面只顯示了一半模型)1-135利用利用clutch.mac宏命令建模宏命令建模 實體模型和單元（國際單位制）實體模型和單元（國際單位制） SA1010系列鐵系列鐵 將定子磁體單元和鐵單元定義為一個部件將定子磁體單元和鐵單元定義為一個部件S_IRON 每