ansys电磁场第四章-1-三维电磁模拟

4.1-23
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RSP 方法适用于模拟含有铁空气界面和永磁体的系统——分析目 的为确定转矩与转角的关系
10极迭片电机的2极，每 极锥角为15度
4.1-24
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差分标量势 (DSP)方法可用于模拟: – 线圈与铁磁介质区相连 – 永磁体 – 无铁磁区的线圈 – 限制：模型几何体必须满足单连通条件。 • 当铁芯磁导率接近于无限大则铁介质中磁场强度接近零时，可 确定为单连通（致动器、具有空气隙电机等） – 缺点: • 求解为二步过程
Applications Geometry (Iron linked by coil) Single- connected Multiply- connected Elements 1st Order 2nd Order Boundary Options Node coupling Constraint equations Recommended Solver
4.1-21
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标量列式包括三种型式的标量势，每一种适用于特定的物理区域。
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可以采用简化标量势 (RSP)的物理区域有:
– 铁磁区和永磁体 – 无线圈的铁磁区域 – 无铁磁介质的线圈
4.1-22
– RSP优点: • 模拟分析为单步求解 • 相对于其它标量方式，其计算量最小
– RSP缺点: • “数值相消” 使 RSP方法在铁磁模型内不能使用sourc36 单元励磁
4.1-28
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实例：当铁芯磁导率变大时磁场不为零（多连通）
闭合磁路电感线圈
4.1-29
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模拟远场区域的模型有二种远场边界单元(infin47和infin111) – infin47 • 这是一个“壳”形单元，可用“esurf”生成 • 模型外表面不要求设置其它标志
远场自由空间 从帮助（Help ）查 看infin47单元
• 选择 OK
4.1-18
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在某些情况下，要求将“增强图形”方式转换为“全图形”方式 Utility>plotctrls>style>hidden line options
注：在标准工具栏中可直接设 置“增强图形”（将其关闭）
箭头长度由绘图控制选项控制 PlotCtrls>style>vector arrow scaling
三相电机的绕组截面
4.1-27
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通用标势法适用的物理模型: – Sourc36单元可与铁磁区相连 – 磁体励磁 – 通量条件可以定义通量（ Webers） – 可在无铁芯介质的模型采用Sourc36单元 – 限制：模型几何体必须满足多连通条件 • 若当铁介质磁导率为无限大时，铁芯内磁场并不接近零，则 可确定为满足多连通条件（变压器、导磁体、具有多通量路 径的模型等） – 缺点： • 要分三步求解
– 自由度：AZ (VOLT用于交流或瞬态分析）
– 通量垂直条件: • 这是自然边界条件，不要求施加。这种条件加到模型边 界，不用约束和耦合 – 通量平行边界条件 • AZ 自由度必须加约束 – 模拟时使用 BH曲线 中间节点
• ν - B2 曲线必须确认为“光滑”
4.1-32
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利用线圈励磁的模型与二维（2D）模拟相似：线圈区域必须为有限 元网格. 电流密度有三个分量JSX,JSY,JSZ 这些分量对应于单元坐标轴方向 – 任意直角坐标系 – 任意圆柱坐标系 – 总体坐标系 线圈区截面
对于图示线圈： • 线圈长度: .05 m • 厚度 .02 m • 线圈中间点半径 .10 m • 取向: 沿+Z • 安匝数: 1,500
电流流向
4.1-14
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单元的节点： – 节点K 处于线圈中心位置即节点1 (0,0,0) – 节点I处于线圈中间半径位置即节点2 (0.1,0,0) – 节点J决定了线圈取向的定义，即节 点3 (0,0.1,0)
sourc36单元的帮助文件 中对线圈原型定义
4.1-12
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线圈原型常用于某些类型的致动器 ，但多数情况下，该线圈以ARC 型和 BAR型相组合构成“跑道” 形线圈 本章后面对此有详细描述
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ARC型 构成跑道形线 圈转角
BAR型构成跑道形线圈 直边
4.1-13
– sourc36单元定义 • 它们不要求连接成连续单元 • 三个节点用于定义线圈原型的取向和一个特征长度 • 在单元实常数中定义导体厚度和电流（安匝数），模型中所用厚 度相应于导线位置而不是绝缘厚度
4.1-25
线圈产生磁场控制带电粒子运动 直线加速器的 C形磁体
这是一个当铁芯磁导率 变得很大时，磁场强度 接近零的实例
气隙
带电粒子 运动
4.1-26
• DSP 方法适合于模拟含有铁和空气界面以及sourc36单元电流源的 系统，分析目的是确定在指定定子电流形式时转矩与转角的关系
10极电机的两极模型
4.1-6
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具有模拟三维模型运动的功能 – 周期性边界条件 – 改变线圈电流 – 不相同网格 执行动画文件: mach3d.avi观察转子转动画
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10极永磁电机，输 入正弦电流
4.1-7
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三维模拟使用多种单元列式
单元列式直接影响到模拟的各个方面 – 施加通量垂直和平行边界条件 • 何为自然边界条件？ • 何为自由度约束？ – BH数据对收敛敏感性的影响 • ν - B2 曲线与μ - H 曲线 – 模拟激励的方法（绞线圈） – 可在模型中包含铁磁区 – 模型中的铁磁-空气界面 – 后处理 • 通量计算（电动势（EMF）计算的起始点） • “磁力线”显示
4.1-8
– 三维（3D）模拟功能包括三种单元列式类型 – 标量势单元列式（静态1 ）[SOLID96] • 简化标势法(RSP)用于没有线圈的铁-空气界面模型 • 差分标势法(DSP)用于具有单通量路径的铁-空气界面模型 • 通用标势法(GSP)用于具有多通量路径的铁-空气界面模型 – 单元边列式（静态、交流、瞬态) [SOLID117] • 包含任意铁磁区域 • 周期对称模型必须为全模型-不能有耦合 – 磁矢量势 (MVP) 列式（静态、交流、瞬态） [SOLID97] • 无铁磁区域
4.1-10
– μ-H曲线由下面菜单绘制 Utility>plot>data tables
• 选择 OK
曲线上没有波纹，求解 收敛性就很好
4.1-11
– 标量势的激励是基于Biot-Savart 计算的，使用预先定义的线圈形状sourc36单元。因此，对应于线圈或杆导体的有限元区域不必直接建模 （象二维磁矢势分析那样）
RSP DSP GSP MVP yes yes yes yes yes no yes yes no yes yes yes yes yes yes no
EDGE yes yes yes no
yes yes yes yes no yes yes yes yes no JCG JCG JCG Sparse Sparse
• 选择 sourc36单元类型.
• 选择 OK
• 选择 ADD
4.1-16
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完成线圈定义
必须为与单元相对 应的实常数
选择 sourc36 原型
线圈厚度
线圈轴向长度 安匝数，方向由前面幻灯片中的红箭头所示
• 选择 OK
DY、DZ的单位制要与模型一致
4.1-17
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先生成单元前，要设置单元属性 Preproc>create>elements>elem attributes 单元类型 实常数（如前面幻灯片所定义的） 人工生成单元（不用自动生成网格） Preproc>create>elements>-auto numbered-thru nodes (顺次选取节点2 , 3 和1 ） 如果要根据实常数中设置的尺寸来显示线圈图形，则图形设置必须变更 。 Utility>plotctrls>style>size and shape
4.1-30
– infin111 • 砖型单元 • 本单元比使用infin47更精确 • 单元的外表面要求设置标志 Preproc>loads>apply>flags>-infinite surface-on areas
中间节点适用于具有中间节点 的六面体单元（solid98)
4.1-31
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单元边列式是一种最先进的用于模拟三维（3D）复杂铁磁模 型的计算方法
Node J 线圈实例
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生成单元前需要定义sourc36单元，该 单元无单元类型选项 Preproc.>element type>add/edit/delete [ADD]
Node K Node I
箭头方向定义电源取向（右 手定则
4.1-15
• 单元实常数设置号应该是唯一的，或其它相同线圈ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ致。实常数应在 生成单元前定义。 Preproc>real constants
第四章
第 1节
三维电磁模拟
三维（3D）模拟
• 在很多情况下，电磁场分析要以三维（3D）方式进行模拟 – 没有完全轴对称的模型
靠近孔的饱和区 非轴对称
衔铁上的通气孔
周期性截面
线圈区域
定子
4.1-2
三维（3D）模拟
– 除Z轴方向外，模型还有其他方向的电流
不同电流方向的 多个汇流排
4.1-3
三维（3D）模拟
– 具有平面和轴对称组合部件的模型
衔铁外形复杂
具有确切外形的衔接 和廉价迭片定子的致 动器
平面型定子
线圈区域
4.1-4
三维（3D）模拟
– 轴向非均匀的模型
定子
10极永磁电机， 建立了2极模型
转子 永磁体
定子、永磁体和 转子具有不同轴 向长度
4.1-5
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正如二维（2D）模拟一样，三维模拟功能也包括静态、交流和瞬态分 析 缺省的线性材料为各向同性（只赋予MURX值） 三维（3D）材料选项包括对于所有三个方向的正交各向异性选项 MURn 和RSVn（n表示X、Y、Z三个方向） – BH磁化曲线能用于磁导率正交各向异性的任一个方向，其余方向 为常数 – 在某正交各向异性方向应用BH曲线时，该方向的MURn应设置为 零（只在正交各向异性材料中要求如此） 三维单元包括远场边界单元 与二维模拟相同，也支持复杂组合的物理区域 – 交流分析的绞线导体与块导体 – 电压与电流供电 – 复杂铁磁区域
(1) 如果模型中还有矢量势和界面单元 INTER115，标量法能用于交流和瞬态模拟
4.1-9
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标量势单元列式 – 自由度: MAG – 通量垂直边界条件： • MAG 自由度必须被约束或耦合 – 通量平行边界条件： • 这是自然边界条件，不要求施加。这种边界条件施加到模型 边界上，不采用约束或耦合。有相应的菜单来施加标量法的 通量平行条件，但只是一个注意项而已，无须使用。 – 分析中BH曲线的使用 • 必须检查μ-H 曲线，保证其是“光滑”的
4.1-34
– 通量平行边界条件
• 模型平面内的A分量必须设置为零
– X-Y平面, AX和AY 必须约束为零 – X-Z平面, AX和AZ必须约束为零 – Y-Z平面, AY和AZ必须约束为零
4.1-35
三维应用
Applications Analysis
RSP DSP GSP MVP Static yes Harmonic no Transient no yes no no yes yes yes no yes yes no no yes yes yes no yes yes yes yes yes no no no no
直段部分用总体坐标系 转角部分需要JSY（局部柱 坐标系的环向方向）
4.1-33
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3D MVP 列式 – 自由度：AX、AY、AZ (VOLT用于交流或瞬态分析） – 通量垂直边界条件: • 这是自然边界条件，但是，垂直于边界的A分量必须设为零 – X-Y 平面, AZ 必须约束为零 – X-Z平面, AY必须约束为零 – Y-Z平面, AX必须约束为零
4.1-19
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利用改变实常数数据可改变线圈特征 Preproc>real constants 选择EDIT (初始生成的设置）
• 选择 OK
将0.05改为0.1
4.1-20
• 应建完整的线圈组模型 • 实际上有例外 – 线圈远离铁芯区域，对铁芯 内磁场产生不重要的影响
模型中只建立了2个极 和 1/2 轴向长度
EDGE yes yes yes yes yes yes yes yes
Physics Iron-free Air-iron Coil-air-iron Perm Magnet-air-iron Coil-Perm Magnet-air-iron yes no no yes no
4.1-36
三维应用