ANSYS電磁場(chǎng)分析指南解讀

1、ANSYS電磁場(chǎng)分析指南第一章 發(fā)表時(shí)間：2007-9-20  作者: 安世亞太    來(lái)源: e-works 關(guān)鍵字: ANSYS 電磁場(chǎng)分析 CAE教程   第一章磁場(chǎng)分析概述1.1磁場(chǎng)分析對(duì)象利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模塊中的電磁場(chǎng)分析功能，ANSYS可分析計(jì)算下列的設(shè)備中的電磁場(chǎng)，如：·電力發(fā)電機(jī)·磁帶及磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器·變壓器·波導(dǎo)·螺線管傳動(dòng)器·諧振腔·電動(dòng)機(jī)·連接器·磁成像系統(tǒng)·天線

2、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(chǎng)分析中關(guān)心的典型的物理量為：·磁通密度·能量損耗·磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)都會(huì)激勵(lì)起需要分析的磁場(chǎng)。1.2ANSYS如何完成電磁場(chǎng)分析計(jì)算ANSYS以Maxwell方程組作為電磁場(chǎng)分析的出發(fā)點(diǎn)。有限元方法計(jì)算的未知量（自由度）主要是磁位或通量，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

3、和單元選項(xiàng)的不同，ANSYS計(jì)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(chǎng)分析利用ANSYS可以完成下列磁場(chǎng)分析：·2-D靜態(tài)磁場(chǎng)分析，分析直流電(DC)或永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，用矢量位方程。參見(jiàn)本書(shū)“二維靜態(tài)磁場(chǎng)分析”·2-D諧波磁場(chǎng)分析，分析低頻交流電流(AC)或交流電壓所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，用矢量位方程。參見(jiàn)本書(shū)“二維諧波磁場(chǎng)分析”·2-D瞬態(tài)磁場(chǎng)分析，分析隨時(shí)間任意變化的電流或外場(chǎng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，包含永磁體的效應(yīng)，用矢量位方程。參見(jiàn)本書(shū)“二維瞬態(tài)磁場(chǎng)分析”·3-D靜態(tài)磁場(chǎng)分析，分析直流電或永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，用標(biāo)量位方法。參見(jiàn)本書(shū)

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

5、3-D諧波磁場(chǎng)分析，用矢量位方法。參見(jiàn)“基于節(jié)點(diǎn)方法的3-D諧波磁場(chǎng)分析”·基于節(jié)點(diǎn)方法的3-D瞬態(tài)磁場(chǎng)分析，用矢量位方法。參見(jiàn)“基于節(jié)點(diǎn)方法的3-D瞬態(tài)磁場(chǎng)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(shí)候選擇2D模型，什么時(shí)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(diǎn)的方法求解3-D問(wèn)題又有什么區(qū)別？在下面將進(jìn)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(shí)生活中大多數(shù)結(jié)構(gòu)需要3-D模型來(lái)進(jìn)行模擬。然而3-D模型對(duì)建模的復(fù)雜度和計(jì)算的時(shí)間都有較高要求。所以，若有可能，請(qǐng)盡量考慮用2-D模型來(lái)進(jìn)行建模求

6、解。1.4.2什么是磁標(biāo)量位方法？對(duì)于大多數(shù)3-D靜態(tài)分析請(qǐng)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(dú)處理，無(wú)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(lì)·求解線性和非線性導(dǎo)磁率問(wèn)題·可使用節(jié)點(diǎn)偶合和約束方程此外，標(biāo)量位方法中電流源建模簡(jiǎn)單，因?yàn)橛脩糁恍柙诤线m的位置施加電流源基元（線圈型、桿型等）就可以模擬電流對(duì)磁場(chǎng)的貢獻(xiàn)。1.4.3 什么是磁矢量位方法？矢

7、量位方法（MVP）是ANSYS支持的兩種基于節(jié)點(diǎn)的方法中的一種（標(biāo)量位法是另一種基于節(jié)點(diǎn)的方法）。這兩種方法都可用于求解3-D靜態(tài)、時(shí)諧、瞬態(tài)分析。矢量位方法中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度要比標(biāo)量位方法多：因?yàn)樗赬、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(gè)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(shí)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(gè)有限元模型的一部分。由于它的節(jié)點(diǎn)自由度更多，所以比標(biāo)量位方法的運(yùn)算速度要慢一些。矢量位方法可應(yīng)用于3-D靜態(tài)、時(shí)諧和瞬態(tài)的磁場(chǎng)分析計(jì)算。但是，

8、當(dāng)計(jì)算區(qū)域含有導(dǎo)磁材料時(shí)，該方法的精度會(huì)有損失（因?yàn)樵诓煌瑢?dǎo)磁率材料的分界面上，由于矢量位的法向分量非常大，影響了計(jì)算結(jié)果的精度）。你可以使用INTER115單元，在同一模型中同時(shí)使用3-D標(biāo)量位方法和3-D矢量位方法。本文系e-works專稿，未經(jīng)授權(quán)嚴(yán)禁轉(zhuǎn)載 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(shí)諧問(wèn)題和瞬態(tài)問(wèn)題時(shí)，選用棱邊單元法，但此方法對(duì)于2-D問(wèn)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(diǎn)沒(méi)關(guān)系。此方法在3-D低頻靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)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(diǎn)的矢量位法同時(shí)求解具有相同泛函表達(dá)式的模型時(shí)，此方法更精確，特別是當(dāng)模型

9、中有鐵區(qū)存在時(shí)。當(dāng)自由度是變化的情況下，棱邊單元法比基于節(jié)點(diǎn)的矢量位方法更有效。ANSYS理論手冊(cè)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(duì)于3-D分析來(lái)說(shuō)，使用棱邊單元的分析過(guò)程和用MVP分析的過(guò)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(shí)諧和瞬態(tài)問(wèn)題時(shí)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(yùn)動(dòng)效應(yīng)和電路耦合時(shí)；·模型要求電路和速度效應(yīng)時(shí)·所分析的模型中沒(méi)有鐵區(qū)時(shí)。1.5高頻電磁場(chǎng)分析ANSYS程序具有高頻電磁分析功能，用于分析計(jì)算給定結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)和電磁波的傳播

10、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(jì)中，進(jìn)行頻響特性分析就顯得尤為重要。當(dāng)信號(hào)的波長(zhǎng)與導(dǎo)波設(shè)備的大小相當(dāng)時(shí)，就必須進(jìn)行高頻分析。ANSYS提供時(shí)諧分析和模態(tài)分析兩種分析方法，詳見(jiàn)第10章高頻電磁場(chǎng)分析。1.6電磁場(chǎng)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(jiǎn)要介紹，單元和單元特性（自由度、KEYOPT選項(xiàng)、輸入和輸出等）的詳細(xì)描述請(qǐng)參見(jiàn)ANSYS單元手冊(cè)。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(qǐng)參閱相關(guān)分析類型章節(jié)的描述。表1-1電磁場(chǎng)單元單元維數(shù)單元類型節(jié)點(diǎn)數(shù)形狀自由度1和其它特征PL

11、ANE532-D磁實(shí)體矢量8四邊形AZ；AZ-VOLT；AZ-CURR；AZ-CURR-EMFSOURC363-D電流源3無(wú)無(wú)自由度，線圈、桿、弧型基元SOLID963-D磁實(shí)體標(biāo)量8磚形MAG (簡(jiǎn)化、差分、通用標(biāo)勢(shì))SOLID973-D磁實(shí)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)HF1

12、203-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PLANE1212-D靜電實(shí)體8四邊形VOLTSOLID1223-D靜電實(shí)體20磚型VOLTSOLID1233-D靜電實(shí)體10四面體VOLTSOLID1273-D靜電實(shí)體10TetVOLTSOLID1283-D靜電實(shí)體20BrickVOLTINFIN92-D無(wú)限邊界2線段AZ-TEMPINFIN1102-D無(wú)限實(shí)體8四邊形AZ、VOLT、TEMPINFIN473-D無(wú)限邊界4四邊形MAG、TEMPINFIN1113-

13、D無(wú)限實(shí)體20磚型MAG、AX、AY、AZ、VOLT、TEMPPLANE672-D熱電實(shí)體4四邊形TEMP-VOLTLINK683-D熱電桿2線段TEMP-VOLTSOLID693-D熱電實(shí)體8磚型TEMP-VOLTSHELL1573-D熱電殼4四邊形TEMP-VOLTPLANE132-D耦合實(shí)體4四邊形UX、UY、TEMP、AZ；UX-UY-VOLTSOLID53-D耦合實(shí)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(shí)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(xiàng)的具體設(shè)置來(lái)激活1.7關(guān)于GUI路徑和命令方式在本指南中，貫穿始終，都會(huì)看見(jiàn)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(méi)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(yǔ)法，請(qǐng)參考ANSYS命令指南我們盡可能多地列出了GUI等