ANSYS電磁場(chǎng)培訓(xùn)手冊(cè)20

第四章

第1節(jié)

三維電磁模擬1三維（3D）模擬在很多情況下，電磁場(chǎng)分析要以三維（3D）方式進(jìn)行模擬沒有完全軸對(duì)稱的模型銜鐵上的通氣孔定子周期性截面線圈區(qū)域靠近孔的飽和區(qū)非軸對(duì)稱2三維（3D）模擬除Z軸方向外，模型還有其他方向的電流不同電流方向的多個(gè)匯流排3三維（3D）模擬具有平面和軸對(duì)稱組合部件的模型銜鐵外形復(fù)雜平面型定子具有確切外形的銜接和廉價(jià)迭片定子的致動(dòng)器線圈區(qū)域4三維（3D）模擬軸向非均勻的模型10極永磁電機(jī)，建立了2極模型定子、永磁體和轉(zhuǎn)子具有不同軸向長(zhǎng)度永磁體轉(zhuǎn)子定子5正如二維（2D）模擬一樣，三維模擬功能也包括靜態(tài)、交流和瞬態(tài)分析缺省的線性材料為各向同性（只賦予MURX值）三維（3D）材料選項(xiàng)包括對(duì)于所有三個(gè)方向的正交各向異性選項(xiàng)MURn和RSVn（n表示X、Y、Z三個(gè)方向）BH磁化曲線能用于磁導(dǎo)率正交各向異性的任一個(gè)方向，其余方向?yàn)槌?shù)在某正交各向異性方向應(yīng)用BH曲線時(shí)，該方向的MURn應(yīng)設(shè)置為零（只在正交各向異性材料中要求如此）三維單元包括遠(yuǎn)場(chǎng)邊界單元與二維模擬相同，也支持復(fù)雜組合的物理區(qū)域交流分析的絞線導(dǎo)體與塊導(dǎo)體電壓與電流供電復(fù)雜鐵磁區(qū)域6具有模擬三維模型運(yùn)動(dòng)的功能周期性邊界條件改變線圈電流不相同網(wǎng)格執(zhí)行動(dòng)畫文件:mach3d.avi觀察轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)畫10極永磁電機(jī)，輸入正弦電流7單元列式直接影響到模擬的各個(gè)方面施加通量垂直和平行邊界條件何為自然邊界條件？何為自由度約束？BH數(shù)據(jù)對(duì)收斂敏感性的影響ν-B2

曲線與μ-H曲線模擬激勵(lì)的方法（絞線圈）可在模型中包含鐵磁區(qū)模型中的鐵磁-空氣界面后處理通量計(jì)算（電動(dòng)勢(shì)（EMF）計(jì)算的起始點(diǎn)）“磁力線”顯示三維模擬使用多種單元列式8三維（3D）模擬功能包括三種單元列式類型標(biāo)量勢(shì)單元列式（靜態(tài)1）[SOLID96]簡(jiǎn)化標(biāo)勢(shì)法(RSP)用于沒有線圈的鐵-空氣界面模型差分標(biāo)勢(shì)法(DSP)用于具有單通量路徑的鐵-空氣界面模型通用標(biāo)勢(shì)法(GSP)用于具有多通量路徑的鐵-空氣界面模型單元邊列式（靜態(tài)、交流、瞬態(tài))[SOLID117]包含任意鐵磁區(qū)域周期對(duì)稱模型必須為全模型-不能有耦合磁矢量勢(shì)(MVP)列式（靜態(tài)、交流、瞬態(tài)）[SOLID97]無鐵磁區(qū)域(1)如果模型中還有矢量勢(shì)和界面單元INTER115，標(biāo)量法能用于交流和瞬態(tài)模擬9標(biāo)量勢(shì)單元列式自由度:MAG通量垂直邊界條件：MAG自由度必須被約束或耦合通量平行邊界條件：這是自然邊界條件，不要求施加。這種邊界條件施加到模型邊界上，不采用約束或耦合。有相應(yīng)的菜單來施加標(biāo)量法的通量平行條件，但只是一個(gè)注意項(xiàng)而已，無須使用。分析中BH曲線的使用必須檢查μ-H曲線，保證其是“光滑”的10μ-H曲線線由由下下面面菜菜單單繪繪制制Utility>plot>datatables曲線上沒沒有波紋紋，求解解收斂性性就很好好選擇OK11標(biāo)量勢(shì)的的激勵(lì)是是基于Biot-Savart計(jì)算的，，使用預(yù)預(yù)先定義義的線圈圈形狀-sourc36單元。因因此，對(duì)對(duì)應(yīng)于線線圈或桿桿導(dǎo)體的的有限元元區(qū)域不不必直接接建模（（象二維維磁矢勢(shì)勢(shì)分析那那樣）sourc36單元的幫幫助文件件中對(duì)線線圈原型型定義12線圈原型型常用于于某些類類型的致致動(dòng)器，，但多數(shù)數(shù)情況下下，該線線圈以ARC型和BAR型相組合合構(gòu)成“跑道”形線圈本章后面面對(duì)此有有詳細(xì)描描述ARC型構(gòu)成成跑道形形線圈轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角BAR型構(gòu)成跑跑道形線線圈直直邊13sourc36單元定義義它們不要要求連接接成連續(xù)續(xù)單元三個(gè)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)用于定定義線圈圈原型的的取向和和一個(gè)特特征長(zhǎng)度度在單元實(shí)實(shí)常數(shù)中中定義導(dǎo)導(dǎo)體厚度度和電流流（安匝匝數(shù)），，模型中中所用厚厚度相應(yīng)應(yīng)于導(dǎo)線線位置而而不是絕絕緣厚度度電流流流向?qū)τ趫D圖示線線圈：：線圈長(zhǎng)長(zhǎng)度:.05m厚度.02m線圈中中間點(diǎn)點(diǎn)半徑徑.10m取向:沿沿+Z安匝數(shù)數(shù):1,50014單元的的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)K處于線線圈中中心位位置即即節(jié)點(diǎn)點(diǎn)1(0,0,0)節(jié)點(diǎn)I處于線線圈中中間半半徑位位置即即節(jié)點(diǎn)點(diǎn)2(0.1,0,0)節(jié)點(diǎn)J決定了了線圈圈取向向的定定義，，即節(jié)節(jié)點(diǎn)3(0,0.1,0)生成單單元前前需要要定義義sourc36單元，，該單單元無無單元元類型型選項(xiàng)項(xiàng)Preproc.>elementtype>add/edit/delete[ADD]線圈實(shí)例例NodeJNodeINodeK箭頭方向向定義電電源取向向（右手手定則15單元實(shí)常常數(shù)設(shè)置置號(hào)應(yīng)該該是唯一一的，或或其它相相同線圈圈一致。。實(shí)常數(shù)數(shù)應(yīng)在生生成單元元前定義義。Preproc>realconstants選擇ADD選擇sourc36單元類型型.選擇OK16完成線圈圈定義選擇sourc36原型必須為與與單元相相對(duì)應(yīng)的的實(shí)常數(shù)數(shù)安匝數(shù)，，方向由由前面幻幻燈片中中的紅箭箭頭所示示線圈厚度度線圈軸向向長(zhǎng)度DY、DZ的單位制制要與模模型一致致選擇OK17先生成單單元前，，要設(shè)置置單元屬屬性Preproc>create>elements>elemattributes單元類型型實(shí)常數(shù)（（如前面面幻燈片片所定義義的）人工生成成單元（（不用自自動(dòng)生成成網(wǎng)格））Preproc>create>elements>-autonumbered-thrunodes(順次選取取節(jié)點(diǎn)2,3和1））如果要根根據(jù)實(shí)常常數(shù)中設(shè)設(shè)置的尺尺寸來顯顯示線圈圈圖形，，則圖形形設(shè)置必必須變更更。Utility>plotctrls>style>sizeandshape選擇OK18在某些情情況下，，要求將將“增強(qiáng)圖形形”方式轉(zhuǎn)換為“全圖形”方式Utility>plotctrls>style>hiddenlineoptions箭頭長(zhǎng)度由繪繪圖控制選項(xiàng)項(xiàng)控制PlotCtrls>style>vectorarrowscaling注：在標(biāo)準(zhǔn)工工具欄中可直直接設(shè)置“增強(qiáng)圖形”（將其關(guān)閉））19利用改變實(shí)常常數(shù)數(shù)據(jù)可改改變線圈特征征Preproc>realconstants選擇EDIT(初始生成的設(shè)設(shè)置）將0.05改改為0.1選擇OK20應(yīng)建完整的線線圈組模型實(shí)際上有例外外線圈遠(yuǎn)離鐵芯芯區(qū)域，對(duì)鐵鐵芯內(nèi)磁場(chǎng)產(chǎn)產(chǎn)生不重要的的影響模型中只建立立了2個(gè)極和和1/2軸向長(zhǎng)度21標(biāo)量列式包括括三種型式的的標(biāo)量勢(shì)，每每一種適用于于特定的物理理區(qū)域。可以采用簡(jiǎn)化化標(biāo)量勢(shì)(RSP)的物理區(qū)域有有:鐵磁區(qū)和永磁磁體無線圈的鐵磁磁區(qū)域無鐵磁介質(zhì)的的線圈22RSP優(yōu)點(diǎn):模擬分析為單單步求解相對(duì)于其它標(biāo)標(biāo)量方式，其其計(jì)算量最小小RSP缺點(diǎn):“數(shù)值相消”使RSP方法在鐵磁模模型內(nèi)不能使使用sourc36單元?jiǎng)?lì)磁23RSP方法適用于模模擬含有鐵空空氣界面和永永磁體的系統(tǒng)統(tǒng)——分析目目的為確定轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角的的關(guān)系10極迭片電機(jī)的的2極，每極極錐角為15度24差分標(biāo)量勢(shì)(DSP)方法可用于模模擬:線圈與鐵磁介介質(zhì)區(qū)相連永磁體無鐵磁區(qū)的線線圈限制：模型幾幾何體必須滿滿足單連通條條件。當(dāng)鐵芯磁導(dǎo)率率接近于無限限大則鐵介質(zhì)質(zhì)中磁場(chǎng)強(qiáng)度度接近零時(shí)，，可確定為單單連通（致動(dòng)動(dòng)器、具有空空氣隙電機(jī)等等）缺點(diǎn):求解為二步過過程25直線加速器的的C形磁體氣隙線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)場(chǎng)控制帶電粒粒子運(yùn)動(dòng)帶電粒子運(yùn)動(dòng)動(dòng)這是一個(gè)當(dāng)鐵鐵芯磁導(dǎo)率變變得很大時(shí)，，磁場(chǎng)強(qiáng)度接接近零的實(shí)例例26DSP方法適合于模模擬含有鐵和和空氣界面以以及sourc36單元電流源的的系統(tǒng)，分析析目的是確定定在指定定子子電流形式時(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角角的關(guān)系10極電機(jī)的兩極極模型三相電機(jī)的繞繞組截面27通用標(biāo)勢(shì)法適適用的物理模模型:Sourc36單元可與鐵磁磁區(qū)相連磁體勵(lì)磁通量條件可以以定義通量（（Webers）可在無鐵芯介介質(zhì)的模型采采用Sourc36單元限制：模型幾幾何體必須滿滿足多連通條條件若當(dāng)鐵介質(zhì)磁磁導(dǎo)率為無限限大時(shí)，鐵芯芯內(nèi)磁場(chǎng)并不不接近零，則則可確定為滿滿足多連通條條件（變壓器器、導(dǎo)磁體、、具有多通量量路徑的模型型等）缺點(diǎn)：要分三三步求求解28閉合磁磁路電電感線線圈實(shí)例：：當(dāng)鐵鐵芯磁磁導(dǎo)率率變大大時(shí)磁磁場(chǎng)不不為零零（多多連通通）29模擬遠(yuǎn)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)區(qū)域的的模型型有二二種遠(yuǎn)遠(yuǎn)場(chǎng)邊邊界單單元(infin47和infin111)infin47這是一一個(gè)“殼”形單元元，可可用“esurf”生成模型外表表面不要要求設(shè)置置其它標(biāo)標(biāo)志遠(yuǎn)場(chǎng)自由由空間從幫助（（Help）查看infin47單元30infin111磚型單元元本單元比比使用infin47更精確單元的外外表面要要求設(shè)置置標(biāo)志Preproc>loads>apply>flags>-infinitesurface-onareas中間節(jié)點(diǎn)點(diǎn)適用于于具有中中間節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的六面面體單元元（solid98)31單元邊列列式是一一種最先先進(jìn)的用用于模擬擬三維（（3D）復(fù)雜鐵磁磁模型的的計(jì)算方方法自由度：：AZ(VOLT用于交流流或瞬態(tài)態(tài)分析））通量垂直直條件:這是自然然邊界條條件，不不要求施施加。這這種條件件加到模模型邊界界，不用用約束和和耦合通量平行行邊界條條件AZ自由度必必須加約約束模擬時(shí)使使用BH曲線ν-B2曲線必須須確認(rèn)為為“光滑”中間節(jié)點(diǎn)點(diǎn)32利用線圈圈勵(lì)磁的的模型與與二維（（2D）模擬相似似：線圈圈區(qū)域必必須為有有限元網(wǎng)網(wǎng)格.電流密度度有三個(gè)個(gè)分量JSX,JSY,JSZ這些分量量對(duì)應(yīng)于于單元坐坐標(biāo)軸方方向任意直角角坐標(biāo)系系任意圓柱柱坐標(biāo)系系總體坐標(biāo)系系轉(zhuǎn)角部分需需要JSY（局部柱坐標(biāo)標(biāo)系的環(huán)向向方向）直段部分用用總體坐標(biāo)標(biāo)系線圈區(qū)截面面333DMVP列式自由度：AX、AY、AZ(VOLT用于交流或或瞬態(tài)分析析）通量垂直邊邊界條件:這是自然邊邊界條件，，但是，垂垂直于邊界界的A分量必須設(shè)設(shè)為零X-Y平面,AZ必須約束為為零X-Z平面,AY必須約束為為零Y-Z平面,AX必須約束為為零34通量平行邊邊界條件模型平面內(nèi)內(nèi)的A分量必須設(shè)設(shè)置為零X-Y平面,AX和AY必須約束為為零X-Z平面,AX和AZ必須約束為為零Y-Z平面,AY和AZ必須約束為為