Ansys電磁場分析簡介

1、ANSYS電磁場分析軟件簡介電磁場分析軟件簡介ANSYS 介紹 ANSYS是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機械結構系統(tǒng)受到外力負載所出現(xiàn)的反應，例如應力、位移、溫度等，根據(jù)該反應可知道機械結構系統(tǒng)受到外力負載后的狀態(tài)，進而判斷是否符合設計要求。一般機械結構系統(tǒng)的幾何結構相當復雜，受的負載也相當多，理論分析往往無法進行。想要解答，必須先簡化結構，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計算機行業(yè)的發(fā)展，相應的軟件也應運而生，ANSYS 軟件在工程上應用相當廣泛，在機械、電機、土木、電子及航空等領域的使用，都能達到某種程度的可信度，頗獲各界好評。使用該軟件，能夠降低設計成本，縮短設計

2、時間。 ANSYS 軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元軟件，可廣泛的用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學研究。該軟件提供了不斷改進的功能清單，具體包括：結構高度非線性分析、電磁分析、計算流體力學分析、設計優(yōu)化、接觸分析、自適應網(wǎng)格劃分及利用ANSYS 參數(shù)設計語言擴展宏命令功能。有限元方法有限元方法 有限單元法的基本思想是將連續(xù)的結構離散成有限單元法的基本思想是將連續(xù)的結構離散成有限個單元，并在每一個單元中設定有限個節(jié)點，有限個單元，并在每一個單元中設定有限個節(jié)點，將連續(xù)體看作是

3、只在節(jié)點處相連接的一組單元的集將連續(xù)體看作是只在節(jié)點處相連接的一組單元的集合體，同時選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，合體，同時選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在每一單元中假設一近似插值函數(shù)以表示單元中并在每一單元中假設一近似插值函數(shù)以表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律，進而利用力學中的某些變分原場函數(shù)的分布規(guī)律，進而利用力學中的某些變分原理去建立用以求解節(jié)點未知量的有限元法方程，從理去建立用以求解節(jié)點未知量的有限元法方程，從而將一個連續(xù)域中的無限自由度問題化為離散域中而將一個連續(xù)域中的無限自由度問題化為離散域中的有限自由度問題。一經(jīng)求解就可以利用解得的節(jié)的有限自由度問題。一經(jīng)求解就可以利用解得的

4、節(jié)點值和設定的插值函數(shù)確定單元上以至整個集合體點值和設定的插值函數(shù)確定單元上以至整個集合體上的場函數(shù)。上的場函數(shù)。電磁場分析與有限元方法電磁場分析與有限元方法 對于電磁場問題，既可以轉化為微分方程的對于電磁場問題，既可以轉化為微分方程的定解問題，也可以歸結為變分問題，即求靜電場能定解問題，也可以歸結為變分問題，即求靜電場能量的極值問題。量的極值問題。 有限元法有限元法就是以變分原理為基礎，吸取差分就是以變分原理為基礎，吸取差分格式思想的一種求解微分方程的系統(tǒng)化數(shù)值計算方格式思想的一種求解微分方程的系統(tǒng)化數(shù)值計算方法。它利用離散的單元，使靜電場的能量近似表示法。它利用離散的單元，使靜電場的能量近

5、似表示為有限個結點電位的函數(shù)。這樣，求解靜電場能量為有限個結點電位的函數(shù)。這樣，求解靜電場能量的極值問題就轉化為多元函數(shù)的極值問題，即對于的極值問題就轉化為多元函數(shù)的極值問題，即對于靜電場有限元計算最后都歸結為大型稀疏有限元方靜電場有限元計算最后都歸結為大型稀疏有限元方程的求解。程的求解。 有限元分析流程有限元分析流程工程問題l搜集相關資料l決定分析項目l獲取材料的機械性質及幾何條件、外力、邊界條件建立有限元模型l材料性質l幾何形狀的定義l元素切割的產生l加邊界條件l加負荷條件l加時間變化情形分析分析結果顯示與打印結果研判提出改進方法問題解決或得到最佳設計前置處理Preprocessing解題

6、程序Solution后置處理Post processing有限元程序合理不合理不合理在在Ansys/Emag或或Ansys/Multiphysics中中Ansys程序的電磁能力程序的電磁能力可用來分析電磁場的多方面問題，如電感、電容、阻抗、磁可用來分析電磁場的多方面問題，如電感、電容、阻抗、磁通量密度、磁場強度、磁通泄漏、渦流、電場分布、磁力線、通量密度、磁場強度、磁通泄漏、渦流、電場分布、磁力線、品質因數(shù)、特征頻率、磁力和力矩、運動效應、電路和能量品質因數(shù)、特征頻率、磁力和力矩、運動效應、電路和能量損失等。損失等。可用來分析以下設備可用來分析以下設備電力發(fā)電機電力發(fā)電機變壓器變壓器螺線管螺線

7、管電動機電動機磁成像系統(tǒng)磁成像系統(tǒng)回旋加速器回旋加速器磁懸浮裝置磁懸浮裝置圖像顯示設備傳感器圖像顯示設備傳感器磁帶和磁盤驅動器磁帶和磁盤驅動器波導波導諧振腔諧振腔開關開關天線輻射天線輻射濾波器濾波器等離子體裝置等離子體裝置電解槽電解槽用于用于Ansys電磁場分析的電磁場分析的有限元公式有限元公式由磁場的由磁場的Maxwell方程組導出，通過將標量勢或邊界通量引入方程組導出，通過將標量勢或邊界通量引入Maxwell方方程組中考慮其電磁性質關系，就可以開發(fā)出適合于有程組中考慮其電磁性質關系，就可以開發(fā)出適合于有限元分析的方程組。限元分析的方程組。ANSYS的一些特點的一些特點用戶可方便地選擇用戶可

8、方便地選擇MKS、CGS或其他一些單位或其他一些單位制作為電磁場分析的單位制。制作為電磁場分析的單位制。作為標準的作為標準的Frontal求解器的替代者，求解器的替代者，PCG、ICCG和和JCG迭代求解器非常適用于求解電磁迭代求解器非常適用于求解電磁場問題，因為它們提供了勢場問題的快速解法。場問題，因為它們提供了勢場問題的快速解法。使用二維和三維無限邊界單元，則不需要建立使用二維和三維無限邊界單元，則不需要建立環(huán)繞電磁設備的無限介質的大模型，從而可以環(huán)繞電磁設備的無限介質的大模型，從而可以采用更小的模型，同時降低了對計算機資源的采用更小的模型，同時降低了對計算機資源的需求。需求。ANSYS的

9、一些特點（續(xù)的一些特點（續(xù)1）Ansys提供了豐富的線性和非線性材料的表達方式，提供了豐富的線性和非線性材料的表達方式，包括各向同性或正交各向異性的線性磁導率，材料包括各向同性或正交各向異性的線性磁導率，材料的的B-H曲線和永磁體的退磁曲線。曲線和永磁體的退磁曲線。后處理功能允許用戶顯示磁力線、磁通密度和磁場后處理功能允許用戶顯示磁力線、磁通密度和磁場強度并進行力、力矩、源輸入能量、感應系數(shù)、端強度并進行力、力矩、源輸入能量、感應系數(shù)、端電壓和其他參數(shù)計算。電壓和其他參數(shù)計算。ANSYS的一些特點（續(xù)的一些特點（續(xù)2）ANSYS電場分析功能可用于研究電場的三方面的問題：電流傳導、靜電分析和電路

10、分析。電場分析功能可用于研究電場的三方面的問題：電流傳導、靜電分析和電路分析。感興趣的物理量包括電流密度、電場強度、電勢分布、電通量密度、傳導產生的焦耳熱、貯能、力、電容、感興趣的物理量包括電流密度、電場強度、電勢分布、電通量密度、傳導產生的焦耳熱、貯能、力、電容、電流以及電勢降等。電流以及電勢降等。主要優(yōu)點之一是耦合場分析功能。磁場分析的耦合場載荷可被自動耦合到結構、流體和熱單元上。此外在對主要優(yōu)點之一是耦合場分析功能。磁場分析的耦合場載荷可被自動耦合到結構、流體和熱單元上。此外在對電路耦合器件的電磁場分析時，電路可被直接耦合到導體或電源，同時也計及運動的影響。電路耦合器件的電磁場分析時，電

11、路可被直接耦合到導體或電源，同時也計及運動的影響。1、在電磁場分析中要計算的量、在電磁場分析中要計算的量磁通密度磁通密度磁場強度磁場強度磁力及磁矩磁力及磁矩阻抗阻抗電感電感渦流渦流能量損耗能量損耗磁漏磁漏S-參數(shù)參數(shù)品質因數(shù)品質因數(shù)反射波損耗反射波損耗特征頻率特征頻率2、電磁場的來源電磁場的來源n電流、外加磁場、永磁體電流、外加磁場、永磁體3、什么時候要用二維分析？、什么時候要用二維分析？2-D平面分析：平面分析：忽略終端效應忽略終端效應模型位于模型位于X-Y平面平面電流方向只沿電流方向只沿X-Y面的面的法線方向（法線方向（Z方向）方向）磁場只有磁場只有X-Y面內的分面內的分量量2-D軸對稱分

12、析：軸對稱分析：模型位于模型位于X-Y平面平面電流方向只沿電流方向只沿X-Y面的面的法線方向（圓周法線方向（圓周Z方向）方向）磁場只有磁場只有X-Y面內的分面內的分量量4、什么時候要用三維分析？、什么時候要用三維分析？要計算的設備不具有對稱性要計算的設備不具有對稱性電流不知沿著一個方向流動電流不知沿著一個方向流動可描述可描述2-D分析無法實現(xiàn)的計算分析無法實現(xiàn)的計算5、自由度情況、自由度情況有限元計算中的主自由度是磁勢或磁通量，其他的有限元計算中的主自由度是磁勢或磁通量，其他的磁場量都由這些主自由度給出。具體問題中的自由磁場量都由這些主自由度給出。具體問題中的自由度可以是磁矢勢、磁標勢和磁通量

13、，這要根據(jù)所選度可以是磁矢勢、磁標勢和磁通量，這要根據(jù)所選擇的單元類型和單元選項來選擇。擇的單元類型和單元選項來選擇。6、ANSYS磁場分析的類型磁場分析的類型2-D靜態(tài)磁場分析，分析直流電或永磁體所產生的磁靜態(tài)磁場分析，分析直流電或永磁體所產生的磁場，用矢勢法。場，用矢勢法。2-D諧波磁場分析，分析低頻交流電流或交流電壓所諧波磁場分析，分析低頻交流電流或交流電壓所產生的磁場，用矢勢法。產生的磁場，用矢勢法。2-D瞬態(tài)磁場分析，分析隨時間任意變化的電流或外瞬態(tài)磁場分析，分析隨時間任意變化的電流或外場所產生的磁場，用矢勢法。場所產生的磁場，用矢勢法。ANSYS磁場分析的類型（續(xù)磁場分析的類型（續(xù)

14、1）3-D靜態(tài)磁場分析，分析直流電或永磁體所產生的磁靜態(tài)磁場分析，分析直流電或永磁體所產生的磁場，用標勢法。場，用標勢法。3-D靜態(tài)磁場分析，分析直流電或永磁體所產生的磁靜態(tài)磁場分析，分析直流電或永磁體所產生的磁場，用基于單元邊的方法。場，用基于單元邊的方法。3-D諧波磁場分析，分析低頻交流電流所產生的磁場，諧波磁場分析，分析低頻交流電流所產生的磁場，用基于單元邊的方法。這種方法適用于大部分諧波用基于單元邊的方法。這種方法適用于大部分諧波磁場分析。磁場分析。ANSYS磁場分析的類型（續(xù)磁場分析的類型（續(xù)2）3-D瞬態(tài)磁場分析，分析隨時間任意變化的電流或外場瞬態(tài)磁場分析，分析隨時間任意變化的電流

15、或外場所產生的磁場，用基于單元邊的方法。這種方法適用所產生的磁場，用基于單元邊的方法。這種方法適用于大部分瞬態(tài)磁場分析。于大部分瞬態(tài)磁場分析。3-D靜態(tài)磁場分析，基于節(jié)點，用矢勢法。靜態(tài)磁場分析，基于節(jié)點，用矢勢法。3-D諧波磁場分析，基于節(jié)點，用矢勢法。諧波磁場分析，基于節(jié)點，用矢勢法。3-D瞬態(tài)磁場分析，基于節(jié)點，用矢勢法。瞬態(tài)磁場分析，基于節(jié)點，用矢勢法。7、什么是磁標勢法、什么是磁標勢法這種方法可將電流源按這種方法可將電流源按“基元基元”建模，而不是單元，建模，而不是單元，這樣電流源可以不是有限元的一部分，只是在相應位這樣電流源可以不是有限元的一部分，只是在相應位置考慮它們對磁場的貢獻

16、。它不受模型其他部分的限置考慮它們對磁場的貢獻。它不受模型其他部分的限制，建立模型更容易。制，建立模型更容易。標勢法的特點標勢法的特點可用磚型（六面體）、可用磚型（六面體）、碶碶型、金字塔形、四面體型型、金字塔形、四面體型單元。單元。電流源用電流源用“基元基元”（原始實體）定義（原始實體）定義可含永久磁體可含永久磁體允許線性和非線性磁導率允許線性和非線性磁導率可用節(jié)點耦合和約束方程可用節(jié)點耦合和約束方程8、什么是磁矢勢（、什么是磁矢勢（MVP）法？）法？是基于節(jié)點方法中的一種（標勢法是另一種是基于節(jié)點方法中的一種（標勢法是另一種節(jié)點法），矢勢法中的節(jié)點自由度要比標勢節(jié)點法），矢勢法中的節(jié)點自由

17、度要比標勢法多：法多：AX、AY和和AZ，亦即，亦即X、Y和和Z方向的方向的磁矢量勢。在載壓或電路耦合分析中還可以磁矢量勢。在載壓或電路耦合分析中還可以引入另外三個自由度：電流（引入另外三個自由度：電流（CURR），電），電動勢降（動勢降（EMF）和電勢（）和電勢（VOLT）。）。2-D磁分磁分析必須采用矢勢法，此時主自由度只有析必須采用矢勢法，此時主自由度只有AZ。在矢勢法中，電流源（導電區(qū)域）要作為整在矢勢法中，電流源（導電區(qū)域）要作為整個有限元模型的一部分。因為它的節(jié)點自由個有限元模型的一部分。因為它的節(jié)點自由度更多，所以它的運算速度較慢。度更多，所以它的運算速度較慢。9、什么是基于單元邊的分析？、什么是基于單元邊的分析？基于單元邊的方法只能用基于單元邊的方法只能用3-D分析，而不能用于分析，而不能用于2-D分分析，對大多數(shù)析，對大多數(shù)3-D諧波分析和瞬態(tài)分析都推薦使用這種諧波分析和瞬態(tài)分析都推薦使用這種方法。基于單元邊的方法中的自由度與單元邊有關系，方法?；趩卧叺姆椒ㄖ械淖杂啥扰c單元邊有關系，而與單元節(jié)點沒關系。