ANSYS電磁場分析指南

.392/392ANSYS電磁場分析指南〔共17章ANSYS電磁場分析指南第一章磁場分析概述：ANSYS電磁場分析指南第二章2-D靜態(tài)磁場分析：ANSYS電磁場分析指南第三章２-Ｄ諧波〔ＡＣ磁場分析：ANSYS電磁場分析指南第四章２-Ｄ瞬態(tài)磁場分析：ANSYS電磁場分析指南第五章３-Ｄ靜態(tài)磁場分析〔標(biāo)量法：ANSYS電磁場分析指南第六章３-Ｄ靜態(tài)磁場分析〔棱邊元方法：ANSYS電磁場分析指南第七章３-Ｄ諧波磁場分析〔棱邊單元法：ANSYS電磁場分析指南第八章３-D瞬態(tài)磁場分析〔棱邊單元法：ANSYS電磁場分析指南第九章3-D靜態(tài)、諧波和瞬態(tài)分析〔節(jié)點法：ANSYS電磁場分析指南第十章高頻電磁場分析：ANSYS電磁場分析指南第十一章磁宏：ANSYS電磁場分析指南第十二章遠(yuǎn)場單元：ANSYS電磁場分析指南第十三章電場分析：ANSYS電磁場分析指南第十四章靜電場分析〔h方法：ANSYS電磁場分析指南第十五章靜電場分析〔P方法：ANSYS電磁場分析指南第十六章電路分析：ANSYS電磁場分析指南第十七章其它分析選項和求解方法：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(jī)·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(jī)·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(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"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2－D模型,什么時候選擇3－D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(jìn)行詳細(xì)比較。-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)。現(xiàn)實生活中大多數(shù)結(jié)構(gòu)需要3-D模型來進(jìn)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(jìn)行建模求解。什么是磁標(biāo)量位方法？對于大多數(shù)3-D靜態(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)。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。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。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(jìn)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(jìn)行高頻分析。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MAG<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PLANE1212-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1.7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2－D還是3－D·在分析中,考慮使用哪種方法。如果靜態(tài)分析為2－D,就必須采用在本章內(nèi)討論的矢量位方法。對于3－D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(qiáng)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?！碴P(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2－D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。創(chuàng)建物理環(huán)境在定義一個分析問題的物理環(huán)境時,進(jìn)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〔/TITLE3、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.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：MainMenu>Preferences,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(jìn)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。.2定義分析標(biāo)題給你所進(jìn)行的分析一個能夠代表所分析內(nèi)容的標(biāo)題,比如"2-Dsolenoidactuatorstaticanalysis",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:：UtilityMenu>File>ChangeTitle.3定義單元類型及其選項與其他分析一樣,進(jìn)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特殊特性：加源電流密度JS<用BFE,,JS命令>注：假定絞線圈內(nèi)有不受外界影響的ＤＣ電流?？梢愿鶕?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PLANE53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。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(jìn)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：MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/delete.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,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:UtilityMenu>WorkPlane>LocalCoordinateSystems>CreateLocalCS>AtSpecifiedLoc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:MainMenu>Preprocessor>-Attributes-Define>DefaultAttribsMainMenu>Preprocessor>Create>Elements>ElemAttributesMainMenu>Preprocessor>Operate>Extrude/Sweep.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Ｒ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,一個單元類型可注明幾個實常數(shù)組。命令：RGUI：MainMenu>Preprocessor>RealConstants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:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>ElectromagUnits根據(jù)所選定的單位制,空氣的導(dǎo)磁率μ0＝4π×10－-7H/M〔在MKS制中,或μ0＝EMUNIT命令〔或其等效的圖形用戶界面路徑定義的值。.6定義材料特性你的模型中可以有下列一種或多種材料區(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emagCopper.SI_MPLM3steel〔鋼emagM3.SI_MPLM54steel〔鋼emagM54.SI_MPLSA1010steel〔鋼emagSa1010.SI_MPLCarpentersteel〔硅鋼emagSilicon.SI_MPLIronCobaltVanadiumsteel〔鐵－鈷－釩－鋼emagVanad.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B－H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。.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(jìn)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)前被激活單位制的材料庫文件。2.定義材料庫文件所在的路徑?！材阈枰老到y(tǒng)管理員放置材料庫文件的路徑命令：/MPLIB,read,pathdataGUI:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary>LibraryPath3.將材料庫文件讀入到數(shù)據(jù)庫中。命令：MPREAD,filename,,,LIBGUI:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary>ImportLibraryMainMenu>Preprocessor>Loads>-LoadStepOpts-Other>ChangeMatProps>MaterialLibrary>ImportLibrary寫材料庫文件,進(jìn)行以下操作：1.用MP命令或菜單MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>Isotropic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:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary>ExportLibrary.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:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Electromagnetics>RelativePermeability>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:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary>ImportLibrary命令：TB,TBPTGUI:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Electromagnetics>BHCurve*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:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Electromagnetics>BHCurve2.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(jìn)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:UtilityMenu>PlotCtrls>Style>Graphs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:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Electromagnetics>RelativePermeability>Constant2．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(jìn)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!readB-Hcurveformaterial2mp,murz,2,1000.7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:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Electromagnetics>Resistivity>Isotropic在靜態(tài)分析中,阻抗僅僅用于損耗計算。.8運動導(dǎo)體區(qū)域：對一個運動導(dǎo)體進(jìn)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)?！さ诙N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(jī)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(jī),直線感應(yīng)電機(jī)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。.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?！MEGAZ—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>?！LOC,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)〔ReynoldsNumber來表示：Mre＝μvd/ρ式中μ為磁導(dǎo)率、ρ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。.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:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Electromagnetics>BHCurve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)系一起定義永磁體的極化軸方向。下面例題所示為一個條形磁體在總體坐標(biāo)X－Y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(qiáng)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B－H曲線TBPT,DEFI,-3000+HC,0!偏移后的B－H曲線TBPT,,-2800+HC,500!第一點"DEFI"缺省TBPT,,-2550+HC,1000TBPT,,-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B－H曲線圖4展示了在第一象限內(nèi)創(chuàng)建的永磁體B－H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B－H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。.11載壓絞線圈：對載壓絞線圈,要定義電阻率。按如下方式定義：命令：MP,rsvxGUI:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Electromagnetics>Resistivity>Isotropic絞線圈是按＂Ｎ＂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。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MainMenu>Preprocessor>-Attributes->Define>PickedAreas2.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》。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MainMenu>Solution>－Loads－>Apply>－Magnetic－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2－D靜態(tài)分析,能選擇的邊界條件和載荷如下：-Boundary--Excitation--Flag--Other--VectorPoten--CurrDensity-Comp.Force-CurrSegment-OnKeypointsOnKeypoints-InfiniteSurf-OnKeypointsOnNodesOnNodesOnLinesOnNodes-FluxPar"l-OnElementsOnAreas-MaxwellSurf-OnLinesVoltageDropOnNodesOnLinesOnNodesOnAreas-FluxNormal-OnNodesOnLines-VirtualDisp-OnNodesOnKeypointsPeriodicBCsOnNodes例如,施加電流密度到單元上,GUI路徑如下：GUI：MainMenu>Preprocessor>-Loads->Apply>-Magnetic->-Excitation->-CurrDensity->OnElements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,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:UtilityMenu>List>Loads>loadtype下面將詳細(xì)描述可以施加的各種載荷：.1邊界條件.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(qiáng)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MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Magnetic-Boundary>-VectorPoten-FluxPar’l-OnLinesorOnNodes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MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Magnetic-Boundary>-VectorPoten-PeriodicBCs。外部強(qiáng)加磁場令A(yù)Z等于一非零值。用GUI路徑MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Magnetic-Boundary>-VectorPoten-FluxPar’l-OnLines/OnNodes磁力線平行邊界條件強(qiáng)制磁力線平行于表面。磁力線垂直邊界條件強(qiáng)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(qiáng)加磁場,直接在合適的區(qū)域施加非0的AZ值就行了。加勵磁載荷.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:MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Magnetic-Excitation-CurrDensity-OnElements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(jìn)行：命令：CPGUI:MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>CoupleDOFs施加標(biāo)志.1力標(biāo)志用FMAGBC宏對需要進(jìn)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〔后面介紹。建模時,在需要進(jìn)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(jìn)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：MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Magnetic-Flag>Comp.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。其他加載.1電流段<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》。.2Maxwell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(jìn)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。>.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MVDI>1.0,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,可以將每個空氣單元中的力進(jìn)行求和以得到合力。求解下面描述進(jìn)行2-D靜態(tài)磁場分析求解的基本過程。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(jìn)入SOULUTION求解器。命令：/SOLUGUI:MainMenu>Solution說明分析類型,用下列方式：·GUI：選擇MainMenu>Solution>NewAnalysis并選擇static?！と绻切碌姆治?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,和Jobname.DB還可用,就可以重啟動2-D靜態(tài)磁場分析。定義分析選項你可選擇下列任何一種求解器：·Sparsesolver·Frontalsolver<缺省值>·JacobiConjugateGradient<JCG>solver·JCGout-of-memorysolver·IncompleteCholeskyConjugateGradient<ICCG>solver·PreconditionedConjugateGradientsolver<PCG>·PCGout-of-memorysolver用下列方式選擇求解器：命令：EQSLVGUI:MainMenu>Solution>AnalysisOptions對于2－D模型,推薦用Sparsesolver和Frontalsolver求解器。對于非常大的模型,JCG或PCG求解器可能會更有效。載壓模型或包括了速度效應(yīng)的模型會產(chǎn)生不對稱矩陣,只能用Sparse、Frontal或ICCG求解器求解。載流模型只能用Sparse或Frontal求解器。要計算微分自感矩陣和連接所有線圈的總通量<LMATRIX>,只能用frontal求解器。備份數(shù)據(jù)庫用工具條中的SAVE_DB按鈕來備份數(shù)據(jù)庫,如果計算機(jī)出錯,可以方便地恢復(fù)需要的模型數(shù)據(jù)?；謴?fù)模型時,重新進(jìn)入ANSYS,用下面的命令：命令：RESUMEGUI:UtilityMenu>File>ResumeJobname.db開始求解對于非線性分析,采用二步順序求解：1．在前面3到5子載荷步內(nèi)讓載荷斜坡變化,每一子步只有一個平衡迭代。2．計算最后解一個子步,有5到10次平衡迭代。用下面方式定義：命令：MAGSOLV<OPT域設(shè)為0>GUI:MainMenu>Solution>Electromagnet>Opt&Solv也可手動分布設(shè)置求解,詳細(xì)參見17章"其他分析選項和求解方法"。收斂圖形跟蹤進(jìn)行非線性電磁分析時,ANSYS在每次平衡迭代都計算收斂范數(shù),并與相應(yīng)的收斂標(biāo)準(zhǔn)比較。求解時,在批處理和交互式方式中,圖形求解跟蹤〔GST特性都要顯示計算的收斂范數(shù)和收斂標(biāo)準(zhǔn)。在交互式時,缺省為圖形求解跟蹤〔GST打開,批處理運行時,為GST關(guān)閉。用下列方法之一,GST可打開或關(guān)閉：命令：/GSTGUI：MainMenu>Solution>OutputCtrls>GrphSoluTrack圖7是一個典型的GST圖形。完成求解命令：FINISHGUI:MainMenu>Finish計算電感矩陣和總的磁鏈對于由多個線圈構(gòu)成的多線圈系統(tǒng),用LMATRIX宏可計算系統(tǒng)的差分電感矩陣和每個線圈中的總磁鏈。方式如下：命令：LMATRIXGUI：MainMenu>Solution>Electromagnet>-StaticAnalysis->InductMatrix計算多線圈系統(tǒng)的微分電感矩陣和每個線圈中的總磁鏈需要多個處理步驟。首先應(yīng)對線圈單元指定部件名,定義名義電流,然后用Frontal求解器對一工作點進(jìn)行名義求解,詳見第11章"磁宏"和《ANSYS理論手冊》。觀察結(jié)果ANSYS和ANSYS/Emag程序?qū)⒂嬎憬Y(jié)果貯存到結(jié)果文件Jobname.RMG中去,其中包括：.1主數(shù)據(jù)：節(jié)點自由度<AZ,CURR>.2導(dǎo)出數(shù)據(jù)：節(jié)點磁通密度<BX,BY,BSUM>節(jié)點磁場強(qiáng)度<HX,HY,HSUM>節(jié)點磁力<FMAG,分量X,Y,SUM>節(jié)點感生電流段<CSGZ>單元源電流密度<JSZ>單元速度電流密度<JVZ>單位體積內(nèi)的焦耳熱<JHEAT>等等每種單元都有其特定的輸出數(shù)據(jù),詳見《ANSYS單元手冊中》。可在通用后處理器中觀看處理結(jié)果。命令：/POST1GUI:MainMenu>GeneralPostproc下面"從結(jié)果文件中讀入數(shù)據(jù)"討論一些靜態(tài)磁場分析的典型后處理操作。要了解所有后處理操作的描述,請參見《ANSYS基本過程指南》。從結(jié)果文件中讀入數(shù)據(jù)若希望在POST1后處理器中查看結(jié)果,進(jìn)行求解后的模型數(shù)據(jù)庫必須存在。同時,結(jié)果文件Jobname.RMG也應(yīng)該存在。方式如下：命令：SETGUI:UtilityMenu>List>Results>LoadStepSummary如果模型不在數(shù)據(jù)庫中,需用RESUME命令后再用SET命令或其等效路徑讀入需要的數(shù)據(jù)集。命令：RESUMEGUI:UtilityMenu>File>ResumeJobname.db要觀察結(jié)果文件中的解,請使用LIST選項?？梢苑謩e看不同加載步及子步或者不同時間點的結(jié)果數(shù)據(jù)集。如果輸入時刻的數(shù)據(jù)集不存在,ANSYS利用相鄰結(jié)果數(shù)據(jù)集進(jìn)行線性內(nèi)插得到該時刻的數(shù)據(jù)。.1磁力線磁力線表示AZ為連續(xù)常數(shù)的線〔在軸對稱中,表示"AZ×半徑"為連續(xù)常數(shù)的線。命令：PLF2DGUI:UtilityMenu>Plot>Results>FluxLines.2等值線等值線幾乎可以顯示任何結(jié)果數(shù)據(jù)〔如磁通密度,磁場強(qiáng)度,總電流密度〔JTZ。命令：PLNSOLPLESOLGUI:UtilityMenu>Plot>Results>ContourPlot>ElemSolutionUtilityMenu>Plot>Results>ContourPlot>NodalSolution注意：導(dǎo)出數(shù)據(jù)〔如磁通密度和磁場強(qiáng)度的節(jié)點等值線顯示的是在節(jié)點上作平均后的數(shù)據(jù)。在PowerGraphics模式〔缺省值下,可以觀察不連續(xù)材料任何位置的節(jié)點平均值。通過下列方式打開PowerGraphics模式：命令：/GRAPHICS,POWERGUI：UtilityMenu>PlotCtrls>Style>Hidden-LineOptions..3矢量顯示矢量顯示<不要與矢量模式混淆>可以方便地觀看一些矢量〔如B,H和FMAG的大小和方向。命令：PLVECTGUI:UtilityMenu>Plot>Results>VectorPlot對于矢量列表顯示,使用下列方式：命令：PRVECTGUI:UtilityMenu>List>Results>VectorPlot.4表格顯示在列表顯示之前,可先對結(jié)果進(jìn)行按節(jié)點或按單元排序：命令：ESORTNSORTGUI:MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>SortNodesMainMenu>GeneralPostproc>ListResults>SortElems然后再進(jìn)行列表顯示：命令：PRESOLPRNSOLPRRSOLGUI:MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ElementSolutionMainMenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolutionMainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolu.5磁力ANSYS可計算三種磁力：·洛倫茲力<J′B力>程序自動對所有的載流單元進(jìn)行受力計算,選擇這些載流單元后,可用PRNSOL,fmag命令對這些單元力進(jìn)行列表。也可進(jìn)行求和,首先,將這些單元力移入到單元表中：命令：ETABLE,tablename,fmag,x<或y>GUI:MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable然后,對單元表進(jìn)行求和：命令：SSUMGUI:MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>SumofEachItem對于需要進(jìn)行專門計算的組件,在該部件上標(biāo)記了Maxwell面和虛功力標(biāo)志后,可用FMAGBC宏很方便地求和：命令：FMAGSUMGUI:MainMenu>GeneralPostproc>Elec&MagCalc>-2Dand3D-Comp.Force·Maxwell力加了MXWF標(biāo)志的面,可計算Maxwell力。對Maxwell力進(jìn)行列表〔首先選擇所有單元,然后在執(zhí)行如下命令或GUI：命令：PRNSOL,fmagGUI:Mainmenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolution再如洛倫茲力中所述,將這些力求和可得到表面上合力。·虛功力定義感興趣組件附近的空氣單元為MVDI,可以計算虛功力。要獲取這些力,請選擇這些空氣單元,然后利用單元的NMISC記錄,用ETABLE命令按順序號〔snum存儲這些力。命令：ETABLE,tablename,nmisc,snumGUI:MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable一旦將數(shù)據(jù)移入到數(shù)據(jù)表中后,就可用PRETAB命令進(jìn)行列表,再用SSUM命令求和。用PLESOL和PRESOL命令根據(jù)NMISC號訪問結(jié)果文件。命令：PRETABGUI:MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>ListElemTable再如洛倫茲力中所述,將這些力求和可得到表面上合力。.6力矩ANSYS可計算三種磁力矩：·洛倫茲力矩<J′B力矩>程序自動對所有的載流單元進(jìn)行力矩計算,選擇這些載流單元后用ETABLE命令〔或者其等效GUI路徑加上單元力矩值的序列號〔NMISC記錄,將這些單元力矩移入到單元表中〔參見《ANSYS單元手冊》表4.13-3和4.53-3：命令：ETABLE,tablename,NMISC,snumGUI:MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable當(dāng)力矩移動到單元表后,可以用下列方式列出力矩值：命令：PRETABGUI：MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>ListElemTable也可以用PLESOL和PRESOL命令加上NMISC號列出結(jié)果。對單元表進(jìn)行求和,得到總力矩：命令：SSUMGUI:MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>SumofEachItem·Maxwell力矩ANSYS自動對定義了"Maxwell表面"標(biāo)志"MXWF"的單元計算Maxwell力矩,其求解力矩的過程與求解洛倫茲力矩的過程一樣。如果通過FMAGBC將力設(shè)定為邊界條件,則可通過下面的命令或菜單方便地獲取力矩值：命令：TORQSUMGUI：MainMenu>GeneralPostproc>Elec&MagCalc>-2D-Comp.Torque·虛功力矩對于那些在感興趣部件相鄰區(qū)域設(shè)定了MVDI標(biāo)記的一層空氣單元,ANSYS自動計算其虛功力矩,其求解力矩的過程與求解洛倫茲力矩的過程一樣。如果通過FMAGBC將力設(shè)定為邊界條件,則可通過下面的命令或菜單方便地獲取力矩值：命令：TORQSUMGUI：MainMenu>GeneralPostproc>Elec&MagCalc>-2D-Comp.Torque.7線圈電阻及電感程序可以計算載壓或載流絞線圈的電阻及電感。每個單元中都有線圈的電阻及電感值,求和即可得到導(dǎo)體區(qū)的總電阻及電感。對于導(dǎo)體區(qū)單元,使用ETABLE,tablename,NMISC,n命令或其等效路徑來存儲這些值,并對它們求和?！瞡為8表示電阻,n為9表示電感。用SSUM命令或其等效路徑進(jìn)行求和。對于載壓線圈〔PLANE53的KEYOPT<1>=2或電路耦合線圈〔PLANE53的KEYOPT<1>=3所計算的電感值僅在下列情況有效：·線性問題〔導(dǎo)磁系數(shù)為常數(shù)；·模型沒有永磁體；·模型只有一個線圈。由多線圈組成的系統(tǒng)采用LMATRIX宏來計算電感矩陣和每個線圈的總磁鏈。LMATRIX宏的詳情參見11章。.8計算其它感興趣的項目在后處理中,可以根據(jù)可用的結(jié)果數(shù)據(jù),計算很多感興趣的量〔如總力、力矩、源輸入能量、電感、磁鏈、終端電壓等,ANSYS命令集支持下列宏用于各種計算：·CURR2D宏計算2-D導(dǎo)體中的電流·EMAGERR宏計算靜電場或靜磁場分析中的相對誤差·FLUXV宏計算通過閉合回路的磁通量·FMAGSUM宏計算作用到單元組元上的合力·FOR2D宏計算作用到導(dǎo)體上的磁力·MMF宏計算沿某指定路徑的電動勢降·PLF2D宏生成等位線·SENERGY宏計算模型中的磁場貯能和共能·TORQ2D宏計算磁場作用到導(dǎo)體上的扭矩·TORQC2D宏在一個圓形路徑上計算磁場作用到導(dǎo)體上的扭矩·TORQSUM宏在單元部件上對二維平面問題的Maxwell和虛功力矩進(jìn)行求和計算詳見第11章對"磁宏"的描述。2.4算例2-D螺線管致動器內(nèi)靜態(tài)磁場的分析〔GUI方式問題描述把螺線管致動器作為2-D軸對稱模型進(jìn)行分析。計算銜鐵部分〔螺線管致動器的運動部分的受力情況和線圈電感。螺線管致動器如圖8所示。參數(shù)說明：參數(shù)說明n=650線圈匝數(shù),在后處理中用I=1.0每圈電流ta=.75磁路內(nèi)支路厚度tb=.75磁路下支路厚度tc=.50磁路外支路厚度td=.75銜鐵厚度wc=1線圈寬度hc=2線圈高度gap=.25間隙space=.25線圈周圍空間ws=wc+2*spacehs=hc+.75w=ta+ws+tc模型總寬度hb=tb+hsh=hb+gap+td模型總高度acoil=wc*hc線圈面積jdens=n*i/acoil線圈電流密度處理方法和假設(shè)假定線圈電流產(chǎn)生的磁通很小,鐵區(qū)沒有達(dá)到飽和,故只需進(jìn)行線性分析的一次迭代求解。為簡化分析,模型周圍鐵區(qū)的磁漏假設(shè)為很小,在法向條件下,可以在模型周圍直接用空氣來模擬漏磁影響。由于假設(shè)模型邊緣邊界上沒有磁漏,則通量與邊界平行,用"fluxparallel"施加模型的邊緣邊界條件。對于穩(wěn)態(tài)〔DC電流,可以以輸入線圈面上的電流密度的形式輸入電流。ANSYS的APDL可以通過線圈匝數(shù)、每圈電流、線圈面積計算電流密度。銜鐵被專門標(biāo)記出來,以便于進(jìn)行磁力計算。后處理中,用Maxwell應(yīng)力張量方法和虛功方法分別處理電樞的受力,還得到了磁場強(qiáng)度及線圈電感等數(shù)據(jù)。注意：本例題僅僅是眾多2-D分析中的一個,不是所有分析都按相同的步驟和順序進(jìn)行。要根據(jù)材料特性或被分析的材料與周圍條件的關(guān)系來決定要進(jìn)行的分析步驟。GUI實現(xiàn)關(guān)于GUI方式的詳細(xì)過程,參見ANSYS程序中自帶的《ANSYSTutorials》。2.5命令流實現(xiàn)!/batch,list/PREP7/TITLE,2DSolenoidActuatorStaticAnalysisET,1,PLANE53!DefinePLANE53aselementtypeKEYOPT,1,3,1!UseaxisymmetricanalysisoptionMP,MURX,1,1!Definematerialproperties<permeability>MP,MURX,2,1000!PermeabilityofbackironMP,MURX,3,1!PermeabilityofcoilMP,MURX,4,2000!Permeabilityofarmature/com,!Setparametervaluesforanalysisn=650!Numberofcoilturnsi=1.0!Currentperturnta=.75!Modeldimensions<centimeters>tb=.75tc=.50td=.75wc=1hc=2gap=.25space=.25ws=wc+2*spacehs=hc+.75w=ta+ws+tchb=tb+hsh=hb+gap+tdacoil=wc*hc!Cross-sectionareaofcoil<cm**2>jdens=n*i/acoil!Currentdensity<A/cm**2>/PNUM,AREA,1RECTNG,0,w,0,tb!CreaterectangularareasRECTNG,0,w,tb,hbRECTNG,ta,ta+ws,0,hRECTNG,ta+space,ta+space+wc,tb+space,tb+space+hcAOVLAP,ALLRECTNG,0,w,0,hb+gapRECTNG,0,w,0,hAOVLAP,ALLNUMCMP,AREA!CompressoutunusedareanumbersAPLOTASEL,S,AREA,,2!AssignattributestocoilAATT,3,1,1,0ASEL,S,AREA,,1!AssignattributestoarmatureASEL,A,AREA,,12,13AATT,4,1,1ASEL,S,AREA,,3,5!AssignattributestobackironASEL,A,AREA,,7,8AATT,2,1,1,0/PNUM,MAT,1!TurnmaterialnumbersonALLSEL,ALLAPLOT!PlotareasSMRTSIZE,4!Setsmartsizemeshinglevel4<fine>AMESH,ALL!MeshallareasESEL,S,MAT,,4!SelectarmatureelementsCM,ARM,ELEM!DefinearmatureasacomponentFMAGBC,"ARM"!ApplyforceboundaryconditionstoarmatureALLSEL,ALLARSCAL,ALL,,,.01,.01,1,,1!ScalemodeltoMKS<meters>FINISH/SOLUESEL,S,MAT,,3!SelectcoilelementsBFE,ALL,JS,1,,,jdens/.01**2!Applycurrentdensity<A/m**2>ESEL,ALLNSEL,EXT!SelectexteriornodesD,ALL,AZ,0!Setpotentialstozero<flux-parallel>ALLSEL,ALLFINISH/SOLUMAGSOLV!SolvemagneticfieldSAVEFINISH/POST1PLF2D!PlotfluxlinesinthemodelFMAGSUM!SummarizemagneticforcesPLVECT,B,,,,VECT,ELEM,ON!Plotfluxdensityasvectors/GRAPHICS,POWER!TurnPowerGraphicsonAVRES,2!Don"taverageresultsacrossmaterialsPLNSOL,B,SUM!PlotfluxdensitymagnitudeFINISH2.6其它例題在《ANSYS校驗手冊》中還有幾個2-D靜磁分析例題：VM165載流鐵磁導(dǎo)體VM172一個長而厚各向同性螺線管線圈應(yīng)力分析VM188載流導(dǎo)體的電磁力計算。第三章２-Ｄ諧波〔ＡＣ磁場分析3.1什么是諧波磁場分析諧波效應(yīng)來自于電磁設(shè)備和運動導(dǎo)體中的交流電<AC>和外加諧波電磁場,這些效應(yīng)主要包括：·渦流·集膚效應(yīng)·渦流致使的能量損耗·力和力矩·阻抗和電感諧波分析的典型應(yīng)用為：變壓器、感應(yīng)電機(jī)、渦流制動系統(tǒng)和大多數(shù)AC設(shè)備。諧波分析中中不允許存在永磁體。忽略磁滯效應(yīng)。3.2線性與非線性諧波分析對于低飽和狀態(tài),進(jìn)行線性的時間-諧波分析時,可假設(shè)導(dǎo)磁率為常數(shù)。對于中高飽和條件,應(yīng)考慮進(jìn)行非線性的時間-諧波分析或時間-瞬態(tài)求解〔第4章。對于交流穩(wěn)態(tài)激勵的設(shè)備,在中等到高飽和狀態(tài),分析人員最感興趣的要獲得總的電磁力、力矩和功率損失,很少涉及實際磁通密度具體波形。在這種情況下,可進(jìn)行非線性時間-諧波分析,這種分析能計算出具有很好精度的"時間平均"力矩和功率損失,又比進(jìn)行瞬態(tài)-時間分析所需的計算量小得多。非線性時間-諧波分析的基本原則是由用戶假定或基于能量等值方法的有效B-H曲線來替代直流B-H曲線。利用這種有效B-H曲線,一個非線性瞬態(tài)問題能有效地簡化為一個非線性時間-諧波問題。在這種非線性分析中,除了要進(jìn)行非線性求解計算外,其它都與線性諧波分析類似。應(yīng)該強(qiáng)調(diào),在給定正弦電源時,非線性瞬態(tài)分析中的磁通密度B是非正弦波形。而在非線性諧波分析中,B被假定為是正弦變化的。因此,它不是真實波形,只是一個真實磁通密度波形的時間基諧波近似值。時間平均總力、力矩和損失是由近似的磁場基諧波來確定,逼近于真實值。3.3二維諧波磁場分析中要用到的單元在渦流區(qū)域,諧波模型只能用矢量位方程描述,固只能用下列單元類型來模擬渦流區(qū)。詳細(xì)情況參見《ANSYS單元手冊》,該手冊以單元號為序排列?！禔NSYS理論參考手冊》也有進(jìn)一步的講述。表1.2-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)點每節(jié)點最多4個：磁矢勢<AZ>、位移、溫度、或時間積分電勢。PLANE532-D四邊,8節(jié)點或三角形,6節(jié)點每節(jié)點最多4個：磁矢勢〔AZ、時間積分電勢、電流、或電動勢降。表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3.通用電路單元單元維數(shù)形狀或特性自由度CIRCU124無6節(jié)點每個節(jié)點最多三個：電勢、電流或電動勢降3.4創(chuàng)建2-D諧波磁場的物理環(huán)境正如ANSYS其他分析類型一樣,對于諧波磁分析,要建立物理環(huán)境、建模、給模型區(qū)賦予屬性、劃分網(wǎng)格、加邊界條件和載荷、求解、然后觀察結(jié)果。2-D諧波磁分析的大多數(shù)步驟都與2-D靜磁分析的步驟相似。本章只討論與諧波分析相關(guān)的特殊步驟。2-D諧波磁分析采用與第2章"2-D靜態(tài)磁場分析"同樣的步驟來設(shè)置GUI選項、分析標(biāo)題、單元類型和KEYOPT〔關(guān)鍵選項、單元坐標(biāo)系、實常數(shù)和單位制。定義材料性質(zhì)時,使用在第2章中描述的方法,即：使用ANSYS材料庫所定義的材料性質(zhì)或ANSYS用戶自己定義的材料性質(zhì)。下面介紹對模型設(shè)置物理區(qū)域的某些準(zhǔn)則：利用自由度來控制導(dǎo)體上的終端條件ANSYS程序提供幾種選項來控制導(dǎo)體上的終端條件,在建模中,這些選項提供了足夠的方便性。例如：線繞和塊狀導(dǎo)體、短路和開路情況、線路供電裝置等,要模擬這些實體,執(zhí)行下列內(nèi)容：·在導(dǎo)體區(qū)增加額外的自由度〔DOF·賦予所需的實常數(shù)、材料性質(zhì)和對自由度的特殊處理。單元類型和選項、材料性質(zhì)、實常數(shù)、以及單元坐標(biāo)系,都是實體模型的屬性,用AATT和VATT命令或其等效的GUI路徑指定。3.4.2AZ選項由于沒有標(biāo)量電勢,即導(dǎo)體內(nèi)電壓降為0,固可通過設(shè)定AZ自由度〔DOF來模擬短路條件的導(dǎo)體。3.4.3AZ－VOLT選項AZ－VOLT選項通過在全域電場計算中引入電勢來模擬具有各種終端情況的塊狀導(dǎo)體：E＝?A/?t－?V注：在ANSYS中,V由υ＝∫Vdt〔時間積分電勢代替該選項通過允許控制其電場〔VOLT,使用戶可更方便地模擬開路、電流供電塊導(dǎo)體和共端點多導(dǎo)體等情況。電位υ的單位為"伏－秒",其在ANSYS中的自由度為VOLT。在軸對稱分析中,υ＝r×VOLT。在平面或軸對稱分析中,整個導(dǎo)體截面的υ是常數(shù)〔即電壓降只發(fā)生在出平面方向上,為了保證這一點,必須耦合各個導(dǎo)體區(qū)的節(jié)點：命令：CPGUI：MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn/CoupleDOFs由于所有節(jié)點的電壓一樣,進(jìn)行耦合操作可減少未知數(shù)。3.4.4AZ－CURR選項用AZ－CURR選項可模擬一個載壓絞線圈。CURR自由度