ANSYS电磁场分析指南 第六章 3-D静态磁场分析(棱边元方法
ANSYS电磁场分析指南 第六章 3-D静态磁场分析(棱边元方法
第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边单元方法）
6.1何时使用棱边元方法
在理论上，当存在非均匀介质时，用基于节点的连续矢量位A来进行有限元计算会产生不精确的解，这种理论上的缺陷可通过使用棱边元方法予以消除。这种方法不但适用于静态分析，还适用于谐波和瞬态磁场分析。在大多数实际3-D 分析中，推荐使用这种方法。在棱边元方法中，电流源是整个网格的一个部分，虽然建模比较困难，但对导体的形状没有控制，更少约束。另外也正因为对电流源也要划分网格，所以可以计算焦耳热和洛伦兹力。
用棱边元方法分析的典型使用情况有：
·电机
·变压器
·感应加热
·螺线管电磁铁
·强场磁体
·非破坏性试验
·磁搅动
·电解装置
·粒子加速器
·医疗和地球物理仪器
《ANSYS理论手册》不同章节中讨论了棱边单元的公式。这些章节包括棱边分析方法的概述、矩阵列式的讨论、棱边方法型函数的信息。
对于ANSYS的SOLID117棱边单元，自由度是矢量位A沿单元边切向分量的积分。物理解释为：沿闭合环路对边自由度（通量）求和，得到通过封闭环路的磁通量。正的通量值表示单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号（由单元边连接）。磁通量方向由封闭环路的方向根据右手法则来判定。
在ANSYS中，AZ表示边通量自由度，它在MKS单位制中的单位是韦伯（Volt·Secs），SOLID117是20节点六面体单元，它的12个边节点（每条边
的中间节点）上持有边通量自由度AZ。单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号。在动态问题中，8个角节点上持有时间积分电势自由度VOLT。
ANSYS程序可用棱边元方法分析3-D静态、谐波和瞬态磁场问题。（实体模型与其它分析类型一样，只是边界条件不同），具体参见第7章，第8章。
ANSYS电磁场分析指南第九章3D静态、谐波和瞬态分析节点法
ANSYS电磁场分析指南第九章3D静态、谐波和瞬态分析节点法
第九章3-D静态、谐波和瞬态分析（节点法）
9.1节点法（MPV）进⾏3D静态磁场分析
3-D节点法磁场分析的具体步骤与2-D静态分析类似，选择GUI参数路径Main Menu>Preferences> Magnetic-Nodal，便于使⽤相应的单元和加载。与2-D静态分析同样的⽅式定义物理环境，但要注意下⾯讨论的存在区别的地⽅。
9.1.1 选择单元类型和定义实常数
对于节点法3 –D静磁分析，可选的单元为3D ⽮量位SOLID97单元，与2D单元不同。⾃由度为：AX,AY,AZ。3D⽮量位⽅程中，⽤INFIN111远场单元（AX、AY、AZ三个⾃由度）来为⽆限边界建模。
对于载压和载流绞线圈（只有SOLID97单元），必须定义如下实常数：
速度效应
可求解运动物体在特定情况下的电磁场，2-D静磁分析讨论了运动体的应⽤和限制，在3-D中，只有SOLID97单元类型能通过设置单元KEYOPT选项来考虑速度效应。
9.1.2 定义分析类型
⽤与2D静态磁场分析相同的⽅式定义3D静态磁场分析，即，可以通过菜单路径Main Menu>Solution>New Analysis、或者⽤命令ANTYPE,STATIC,NEW来定义⼀个新的静态磁场分析；或者⽤ANTYPE,STATIC,REST 命令来重启动⼀个3-D分析。
如果使⽤了速度效应，不能在3D静态分析(ANTYPE,STATIC)中直接求解具有速度效应的静态直流激励场，⽽要⽤具有很低频率的时谐分析(ANTYPE,HARMIC)来完成。
电机电磁场的仿真分析
载流导体在磁场内所受到的力。对于长度为的长直载流导线，
其力为：
F lidlB
铁磁介质在磁场中受到的力。如果媒质中有传导电流，相应的
边密度是 f (1,) 而非铁磁媒质在磁场中受力的体密度是
密度是
ff(1)f(2)JB2 r 1 B2
，f ( 则2 ) 总的力
在电机中计算磁场力时，通常可以把 f (忽2 ) 略掉。
ANSYS电磁场分析简介
ANSYS磁场分析的有限元公式是麦克斯韦尔方程 组导出，计算的主要未知量（自由度）是磁势或磁通量， 其它磁场量则由这些自由度得来。
ANSYS程序提供了丰富的线性和非线性材料的表 达方式，包括各向同性或各向异性的线性磁导率，材料 的B-H曲线和永磁体的退磁曲线。后处理功能允许用户 显示磁力线、磁通密度和磁场强度，并可以进行力、力 矩、源输入能量、感应系数、端电压和其它参数的计算。
MP：定义线性材料特性
n
A
加边界条件和载荷：既可以给实体模型（关键点、线、面）也可以给有限元模型（节点和单元）加边界条件和载荷。
A C 磁通密度的法向分量相等，即 ；
周期性边界条件：由于电机旋转磁场呈周期性 它表明了电磁性能关系，
分别为电容率、电导率和磁导率。
n 载流导体在磁场内所受到的力。
（2）凸极同步电机磁极间的漏磁场或直流电机主磁极与换向极间的漏磁场；
ansys电磁场仿真分析教程
耦合场分析概况…………………………………………………………………………….. 5-1
1-1
第一章
教程综述
1-2
• ANSYS/EMAG能用于模拟工业电磁装 置
• 电磁装置当然是3维，但可简化 为2维模 型。
• 模拟可考虑为： – 稳态 – 交流（谐波） – 时变瞬态 • 阶跃电压 • PWM(脉宽调制） （Pulse Width Modulation) • 任意
目录
第一章
电磁场仿真简介……………………………………….... …….... …….... …….... …….... 1-4 第二章
二维静态分析
第三章
第1节……………………………………………………………………………..… 第2节……………………………………………………………….……….……… 第3节…………………………………………………………………….….……… 第4节…………………………………………………………………………..…… 第5节……………………………………………………………………………..…
• 一旦衔铁已选好，选择OK (在选取框内）
1-25
• 选择与已选平面相对应的单元
用“面”
• 选择 OK • 图示衔铁单元
Utility>plot>elements
衔铁单元
1-26
ANSYS电磁场分析指南
ANSYS电磁场分析指南（共17章）
ANSYS电磁场分析指南第一章磁场分析概述：
ANSYS电磁场分析指南第二章2-D静态磁场分析：
ANSYS电磁场分析指南第三章２-Ｄ谐波（ＡＣ）磁场分析：
ANSYS电磁场分析指南第四章２-Ｄ瞬态磁场分析：
ANSYS电磁场分析指南第五章３-Ｄ静态磁场分析（标量法）：
ANSYS电磁场分析指南第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边元方法）：
ANSYS电磁场分析指南第七章３-Ｄ谐波磁场分析（棱边单元法）：
ANSYS电磁场分析指南第八章３-D瞬态磁场分析（棱边单元法）：
ANSYS电磁场分析指南第九章3-D静态、谐波和瞬态分析（节点法）：ANSYS电磁场分析指南第十章高频电磁场分析：
ANSYS电磁场分析指南第十一章磁宏：
ANSYS电磁场分析指南第十二章远场单元：
ANSYS电磁场分析指南第十三章电场分析：
ANSYS电磁场分析指南第十四章静电场分析（h方法）：
ANSYS电磁场分析指南第十五章静电场分析（P方法）：
ANSYS电磁场分析指南第十六章电路分析：
ANSYS电磁场分析指南第十七章其它分析选项和求解方法：
第一章磁场分析概述
1.1磁场分析对象
利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模块中的电磁场分析功能，ANSYS可分析计算下列的设备中的电磁场，如：
·电力发电机·磁带及磁盘驱动器
·变压器·波导
·螺线管传动器·谐振腔
·电动机·连接器
·磁成像系统·天线辐射
·图像显示设备传感器·滤波器
·回旋加速器
在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为：
·磁通密度·能量损耗
ansys电磁场仿真分析教程
• 定义线圈为3号材料 (自由空间导磁率，MURX=1)
• 选择 OK
• 选择 OK (退出材料数据输入菜单）
1-16
• 建立衔铁面 Preprocessor>Create>Rectangle>By Dimensions
• 选择Apply (重复显示和输入) • 建立线圈面
利用TAB 键移动输 入窗口
• 选择OK
1-11
• 定义所有物理区的单元类型为 PLANE53 Preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete
• 选择 Add • 选择磁矢量和8节点53号单元 • 选择 OK
1-12
• 模拟模型的轴对称形状 • 选择Options（选项） • Element behavior（单元行为） • 选择 Axisymmetric（轴对称） • 选择OK
1-40
• 沿A-A 通量平行边界条件需满足：
– 模型中A-A 的左边和右边是相同 的
• 几何形状相同
A
Pole Face
• 材料属性相同
– 左边和右边励磁相位差180度（
B
B
即方向相反）
• 对称平面边界条件 Prep–ro沿c.>Al-oAad必s须>a加pp约ly>束boundary>flux par’l>lines
ansys电磁场仿真分析教程
利用TAB 键移动输 入窗口
• 选择 Apply
1-17
• 建立空气面
• 选择 OK 衔铁
到了这步，建立了全部平 面，但它们还没有连接起 来.
线圈
1-18
• 用Overlap迫使全部平面连接在一起 Preprocessor>Operate> Overlap>Areas
1-12
• 模拟模型的轴对称形状 • 选择Options（选项） • Element behavior（单元行为） • 选择 Axisymmetric（轴对称） • 选择OK
1-13
• 定义材料 Preprocessor>Material Props>Isotropic
• 定义空气为1号材料(MURX = 1)
• 选择 OK
1-27
• 加力边界条件标志 Preprocessor>Loads>Apply>-Magnetic-Flag>Comp Force
• 选择OK
• 施加两个标志，用两个不同的方法来计算力 – Maxwell’s 应力张量 – 虚功
即使只有一种选项，也要鼠 标选取
1-28
• 以毫米单位生成的模型，最好把模型尺寸变换为国际单位制（变换系数 =.001)
• 按Pick All
ANSYS电磁场分析指南磁宏
ANSYS电磁场分析指南磁宏
磁宏分析是ANSYS中的一种电磁场分析方法，用于模拟磁场中的行为。它基于麦克斯韦方程组和磁性材料的本质特性，可以用来研究磁场的分布、场强和磁通量等。
以下是使用ANSYS进行磁宏分析的一般步骤：
1.创建几何模型：使用ANSYS的几何建模工具创建您要分析的几何体。您可以使用ANSYS的二维或三维建模功能，根据您的需求选择适当的几何
形状。
2.设置材料属性：在进行磁宏分析之前，您需要为模型中的材料定义
磁性属性。这包括磁导率、磁饱和和磁滞等。可以通过库中的材料属性进
行选择，或者根据实际材料的特性手动输入。如果您使用的是标准材料，
可以轻松从ANSYS材料库中选择。
3.设置边界条件：确定分析的边界条件非常重要。根据您的应用场景，您可以设置边界条件为固定零磁场、非磁性条件或具有特定磁场分布的条件。对于二维问题，您可以设置边界上的磁通量。这些边界条件将在后续
计算中起作用。
4.生成网格：ANSYS使用有限元方法进行分析，因此需要生成适当的
网格。您可以选择不同的网格生成技术，例如自动网格细化、手动加密和
剖面网格。网格的质量对分析结果的准确性和计算时间都有重要影响。
5.定义分析类型和求解器：在ANSYS中，您可以选择不同的分析类型
和求解器来求解磁场问题。例如，您可以选择求解静态磁场、谐振频率或
非线性磁场等。根据您的需求选择适当的求解器，以获得准确的结果。
6.运行计算：在设置了适当的材料属性、边界条件和网格后，您可以
运行计算。ANSYS将使用选择的求解器进行计算，并在计算结束后生成结果。
Ansys电磁分析教程
1-40
• 沿A-A 通量平行边界条件需满足：
A
Pole Face
– 模型中A-A 的左边和右边是相同 的
• 几何形状相同
• 材料属性相同
– 左边和右边励磁相位差180度（ 即方向相反） • 对称平面边界条件 – 沿A-A必须加约束
A
（1/2）对称模型
单元边缘围绕的一个红色输廓表示该 区域为同类材料号
1-35
• 计算力 Postproc>Elec&Mag Calc>Comp. Force
必须用鼠标选取
• 选择 OK
衔铁上力是在总体坐标 系下表示的，此力的方 向为使气隙缩小
1-36
•显示总磁通密度值 (BSUM) Postproc>Plot Results>Nodal Solution
solen3davi看动画模拟过程概述模拟过程概述?利用如下方式观察装置2d与3d平面与轴对称利用轴对称平面简化模型定义物理区域空气铁永磁体等等绞线圈块导体绞线圈块导体短路开路为每个物理区定义材料导磁率常数或非线性电阻率矫顽磁力剩余磁感应?衔铁线圈15?锭子实体模型?建实体模型?给模型赋予属性以模拟物理区?赋予边界条件线圈激励外部边界开放边界??实体模型划分网格实体模型划分网格16?加补充约束条件如果有必要周期性边界条件连接不同网格有限元网格?进行模拟?观察结果某指定时刻整个时间历程?后处理磁力线力17力矩损耗mmf磁动势电感特定需要?模拟由3个区域组成?衔铁区
ANSYS详细全介绍
ANSYS详细全介绍
开放、灵活的仿真软件，为产品设计的每一阶段提供解决方案
通用仿真电磁分析流体力学行业化分析模型建造设计分析多目标优化客户化
结构分析解决方案
结构非线性强大分析模块
Mechanical
显式瞬态动力分析工具
LS-DYNA
新一代动力学分析系统
AI NASTRAN
电磁场分析解决方案
流体动力学分析
行业化分析工具
设计人员快捷分析工具
仿真模型建造系统
多目标快速优化工具
CAE客户化及协同分析环境开发平台
ANSYS Structure
ANSYS Structure 是ANSYS产品家族中的结构分析模块，她秉承了ANSYS家族产品的整体优势，更专注于结构分析技术的深入开发。除了提供常规结构分析功能外，强劲稳健的非线性、独具特色的梁单元、高效可靠的并行求解、充满现代气息的前后处理是她的四大特色。
ANSYS Structure产品功能
非线性分析
• 几何非线性
• 材料非线性
• 接触非线性
• 单元非线性
动力学分析
•模态分析
- 自然模态
- 预应力模态
- 阻尼复模态
- 循环模态
• 瞬态分析
- 非线性全瞬态- 线性模态叠加法•响应谱分析
- 单点谱
- 模态
- 谐相应
- 单点谱
- 多点谱
•谐响应分析
•随机振动
叠层复合材料•非线性叠层壳单元•高阶叠层实体单元
•特征
- 初应力
- 层间剪应力
- 温度相关的材料属性
- 应力梯度跟踪
- 中面偏置
•图形化
- 图形化定义材料截面
- 3D方式察看板壳结果
- 逐层查看纤维排布
- 逐层查看分析结果
•Tsai-Wu失效准则
求解器
•迭代求解器
- 预条件共轭梯度(PCG)
- 雅可比共轭梯度(JCG)
Ansys电磁场分析经典教程
B
线圈 (象征性的)
1-39
• 在2D静磁场、交流和瞬态分析中采用磁矢量势方法(MVP) • 此公式称为MVP ，磁通量密度(B) 等于矢量势(A) 的旋度
B = Curl(A)
• 对于二维情况，A只有Z方向分量，在ANSYS中表示为“AZ” 自由度
• 模型有二种边界条件描述 – -Dirichlet条件（AZ约束） : 磁通量平行于模型边界 – Neumann 条件（自然边界条件）:磁通量垂直于模型边界
the simple magnetizer
1-43
• 1/4模型与全模型比较 – 磁通密度分布相同 – 贮能为1/4 – 所示线圈上的Lorentz力 1/2 – 作用在极面上力为1/2
B
B
励磁体1/4对称模型
1-44
• 单元plane13 and plane53 用于模拟2D磁 场
– Plane13: 4 节点四边形 • 耦合场自由度：温度，结构，磁 • 电源为Z方向 • B 为线性变化 • 适用于：
衔铁 线圈
1-8
性质
柱体: μr = 1000 线圈: μr = 1
匝数:
2000
(整个线圈)
空激气 励 :
μr = 1
线圈励磁为直流电流: 2 安 培
模型 轴对称
Y
材料号 2
衔铁 长度=35
定义材料属性分析模型可有一种或多...
第一章磁场分析概述
1.1磁场分析对象
利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模块中的电磁场分析功能，ANSYS可分析计算下列的设备中的电磁场，如：
·电力发电机·磁带及磁盘驱动器
·变压器·波导
·螺线管传动器·谐振腔
·电动机·连接器
·磁成像系统·天线辐射
·图像显示设备传感器·滤波器
·回旋加速器
在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为：
·磁通密度·能量损耗
·磁场强度·磁漏
·磁力及磁矩· S-参数
·阻抗·品质因子Q
·电感·回波损耗
·涡流·本征频率
存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场。
1.2ANSYS如何完成电磁场分析计算
ANSYS以Maxwell方程组作为电磁场分析的出发点。有限元方法计算的未知量（自由度）主要是磁位或通量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出。根据用户所选择的单元类型和单元选项的不同，ANSYS计算的自由度可以是标量磁位、矢量磁位或边界通量。1.3静态、谐波、瞬态磁场分析
利用ANSYS可以完成下列磁场分析：
·2-D静态磁场分析，分析直流电(DC)或永磁体所产生的磁场，用矢量位方程。参见本书―二维静态磁场分析‖
·2-D谐波磁场分析，分析低频交流电流(AC)或交流电压所产生的磁场，用矢量位方程。参见本书―二维谐波磁场分析‖
·2-D瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，包含永磁体的效应，用矢量位方程。参见本书―二维瞬态磁场分析‖
·3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用标量位方法。参见本书―三维静态磁场分析（标量位方法）‖
ansys电磁场仿真分析教程
• 激励线圈要求电流密度，故要得到线圈截面积. Preprocessor>Operate>Calc Geometric Items>Of Areas
• 选择OK • 要用线圈面积来计算电流密度，将线圈面积赋予参数CAREA
Utility>Parameter>Get Scalar Data
• 选择 OK
2.1-1 2.2-1 2.3-1 2.4-1 2.5-1
二维谐波和瞬态分析
第四章
第1节…………………………………………………………………………….…. 3.1-1 第2节…………………………………………………………………...………….. 3.2-1
三维电磁场分析
第五章
第1节…………………………………………………………………………...….… 4.1-1 第2节…………………………………………………………………….……….... 4.2-1 第3节………………………………………………………………….…..…….…. 4.3-1 第4节………………………………………………………………….……...……. 4.4-1 第5节…………………………………………………………………….…...……. 4.5-1
• 选择 OK
1-33
• 进行计算 Solu>-solve-electromagnet>Opt & Solve
ANSYS教程：ANSYS电磁场分析
ANSYS教程：ANSYS电磁场分析
静态磁场分析：用于分析不随时间变化的磁场，主要包括三类情况：用磁场的磁场，稳恒电流产生的磁场，匀速运动的导体所产生的磁场。
对于三位静态磁场分析，ansys程序采用了两种方法：标量势法（scalar method）和单元边法（edge-based-method），其中标量势法根据其标量势方程的不同又可分为三种不同的标量势分析方法：简化标量势法（RSP）、微分标量势法（DSP）和广义标量势法（GSP）。使用单元边法时，电流源是作为整个系统的一部分一起进行网格划分的，由此使用该方法不仅能计算常规物流量（如磁场、磁动势等），还能计算诸如焦耳热损、洛伦兹力等。
根据以下原则选择不同的分析方法：
当所分析的问题中不含铁芯区域或虽含铁芯区域但不含电流源时，采用RSP法，在含有铁芯和电流源的模型分析中通常不使用RSP 法。
对于“单连通”铁芯区域模型，使用DSP法，对于“多连通”铁芯区域模型，使用GSP法。单连通区域指的是带有空气隙的磁路不封闭的铁芯系统，没有空气隙的则为磁路封闭多连通铁芯区域系统。
对于非连续介质模型一般采用单元边法进行求解。
提示：单元边法中使用的单元的节点自由度矢量磁势是沿单元边
切向积分的结果，其求解精度高于标量势法的求解精度。单元边法不仅适用于三维静态磁场分析中，也适用于三维谐性和瞬态磁场分析中。
1 电磁场分析中的默认单位制为MKS单位制，即米、安培和秒。可以定义其他的单位制：
main menu/preprocessor/material props/electromag units
(整理)第六章3D静态磁场分析棱边元方法
第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边单元方法）
6.1何时使用棱边元方法
在理论上，当存在非均匀介质时，用基于节点的连续矢量位A来进行有限元计算会产生不精确的解，这种理论上的缺陷可通过使用棱边元方法予以消除。这种方法不但适用于静态分析，还适用于谐波和瞬态磁场分析。在大多数实际3-D分析中，推荐使用这种方法。在棱边元方法中，电流源是整个网格的一个部分，虽然建模比较困难，但对导体的形状没有控制，更少约束。另外也正因为对电流源也要划分网格，所以可以计算焦耳热和洛伦兹力。
用棱边元方法分析的典型使用情况有：
·电机
·变压器
·感应加热
·螺线管电磁铁
·强场磁体
·非破坏性试验
·磁搅动
·电解装置
·粒子加速器
·医疗和地球物理仪器
《ANSYS理论手册》不同章节中讨论了棱边单元的公式。这些章节包括棱边分析方法的概述、矩阵列式的讨论、棱边方法型函数的信息。
对于ANSYS的SOLID117棱边单元，自由度是矢量位A沿单元边切向分量的积分。物理解释为：沿闭合环路对边自由度（通量）求和，得到通过封闭环路的磁通量。正的通量值表示单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号（由单元边连接）。磁通量方向由封闭环路的方向根据右手法则来判定。
在ANSYS中，AZ表示边通量自由度，它在MKS单位制中的单位是韦伯（Volt·Secs），SOLID117是20节点六面体单元，它的12个边节点（每条边的中间节点）上持有边通量自由度AZ。单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号。在动态问题中，8个角节点上持有时间积分电势自由度VOLT。
ANSYS程序可用棱边元方法分析3-D静态、谐波和瞬态磁场问题。（实体模型与其它分析
06 ANSYS电磁场分析指南-3D——【ANSYS电磁分析资料】
第五章３-Ｄ静态磁场分析（标量法）
5.1 在3-D静态磁场分析（标量法）中要用到的单元
表1三维实体单元：
表2三维界面单元
表3三维连接单元
表4三维远场单元
SOLID96和SOLID97是磁场分析专用单元，SOLID62、SOLID5和SOLID98更适合于耦合场求解。
5.2 磁标量位（MSP）法介绍
在磁标量位方法中，可使用三种不同的分析方法：简化标势法(RSP)、差分标势法(DSP)和通用标势(GSP)法。
·若模型中不包含铁区，或有铁区但无电流源时，用RSP法。若模型中既有铁区又有电流源时，就不能用这种方法。
·若不适用RSP法，就选择DSP法或GSP法。DSP法适用于单连通铁区，GSP法适用于多连通铁区。
5.2.1 单连通区与多连通区
单连通铁区是指不能为电流源所产生的磁通量提供闭合回路的铁区，而多连通铁区则可以构成闭合回路。参见图1(a)、(b)“连通域”。
数学上，通过安培定律来判断单连通区或是多连通区，即磁场强度沿闭合回路的积分等于包围的电流（或是电动势降MMF）。
因为铁的磁导率非常大，所以在单连通区域中的MMF降接近于零，几乎全部的MMF降都发生在空气隙中。但在多连通区域中，无论铁的磁导率如何，所有的MMF降都发生在铁芯中。
5.3 3-D静态磁标势分析的步骤
该分析类型与2－D静态分析的步骤基本一样：
1.建立物理环境
2.建模、给模型区域赋属性和分网格
3.加边界条件和载荷（激励）
4.用RSP、DSP或GSP方法求解
5.观察结果
5.3.1创建物理环境
首先设置分析参数为“Magnetic-Nodal”，并给出分析题目。然后用ANSYS前处理器定义物理环境包含的项目。即单元类型、KEYOPT选项、材料特性等。3D分析的大部分过程与2D分析一致，本章下面部分介绍3D分析中要特殊注意的事项。
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第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边单元方法）
6.1何时使用棱边元方法
在理论上，当存在非均匀介质时，用基于节点的连续矢量位A来进行有限元计算会产生不精确的解，这种理论上的缺陷可通过使用棱边元方法予以消除。这种方法不但适用于静态分析，还适用于谐波和瞬态磁场分析。在大多数实际3-D 分析中，推荐使用这种方法。在棱边元方法中，电流源是整个网格的一个部分，虽然建模比较困难，但对导体的形状没有控制，更少约束。另外也正因为对电流源也要划分网格，所以可以计算焦耳热和洛伦兹力。
用棱边元方法分析的典型使用情况有：
·电机
·变压器
·感应加热
·螺线管电磁铁
·强场磁体
·非破坏性试验
·磁搅动
·电解装置
·粒子加速器
·医疗和地球物理仪器
《ANSYS理论手册》不同章节中讨论了棱边单元的公式。这些章节包括棱边分析方法的概述、矩阵列式的讨论、棱边方法型函数的信息。
对于ANSYS的SOLID117棱边单元，自由度是矢量位A沿单元边切向分量的积分。物理解释为：沿闭合环路对边自由度（通量）求和，得到通过封闭环路的磁通量。正的通量值表示单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号（由单元边连接）。磁通量方向由封闭环路的方向根据右手法则来判定。
在ANSYS中，AZ表示边通量自由度，它在MKS单位制中的单位是韦伯（Volt·Secs），SOLID117是20节点六面体单元，它的12个边节点（每条边
的中间节点）上持有边通量自由度AZ。单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号。在动态问题中，8个角节点上持有时间积分电势自由度VOLT。
ANSYS程序可用棱边元方法分析3-D静态、谐波和瞬态磁场问题。（实体模型与其它分析类型一样，只是边界条件不同），具体参见第7章，第8章。
6.2单元边方法中用到的单元
表 1三维实体单元
6.3物理模型区域的特性与设置
对于包括空气、铁、永磁体、源电流的静态磁场分析模型，可以通过设置不同区域不同材料特性来完成。参见下表，详情在后面部分叙述。
6.4用棱边单元方法进行静态分析的步骤
用棱边元方法进行静态磁场分析的步骤如下：
1.在GUI菜单过滤项中选定Magnetic-Edge项。
GUI: Main Menu>Preferences>Electromagnetics:Magnetic-Edge
2.定义任务名和题目。
命令：/FILNAME和/TITLE
GUI:Utility Menu>File>Change Jobname
Utility Menu>File>Change Title
3.进入ANSYS前处理器。
命令：/PREP7
GUI:Main Menu>Preprocessor
4.选择SOLID117单元。
命令：ET,,solid117
GUI:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete
5.定义材料特性（与第二章类似）。
命令：MP
GUI:Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material
Models>Electromagnetics>Relative Permeability>Constant
命令：TB
GUI:Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material
Models>Electromagnetics>BH Curve
6.建立模型，用Main Menu>Preprocessor>-Modeling-界面，详见《ANSYS 建模与分网指南》。
7.赋予特性。
GUI: Main menu>Preprocessor>-Attributes-Define
8.划分网格（用Mapped网格）。
命令：VMESH
GUI:Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Volumes-Mapped
9.进入求解器。
命令：/SOLU
GUI:Main Menu>Solution
10.给模型边界加磁力线平行和磁力线垂直边界条件。
命令：DA
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Boundary
用AZ=0来模拟磁力线平行边界条件，磁力线垂直边界条件自然发生，无需说明。在极少数情况下，说明AZ=0还不足以表明磁力线平行边界条件，在这中情况下，可分别用D命令来指定约束。
11.加电流密度载荷（JS）。
由于电磁分析的连续方程必须满足，所以此处施加的源电流密度必须是无散的（即▽JS=0），这一点必须保证，如果有误，则SOLID117单元会解算出错误结果，并且不给出任何警告信息！
在某些情况下，源电流密度的幅值和方向都是恒定的（比如：杆状、弧状电流源），自然满足无散条件，此时就可用下面描述的BFE命令施加电流。在其它很多复杂情况下，源电流密度的分布事先是不知道的（比如：两个直杆连接处弯
形连接段内的电流弯曲），此时就需要先执行一个静态电流传导分析（见第13章），一旦确定下电流，就可以用LDREAD命令将其读入磁场分析中。
通常，直接把源电流密度施加到单元上。使用下列方式之一：
命令：BFE, JS
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Excitation
关于其他加载的更多信息，参看第2章“2D静态磁场分析”。单元密度由ESYS命令在单元坐标系中设定。
12.为计算作用到导磁体上的Maxwell力和虚功力，先定义组元：
命令：CM
GUI:Utility Menu>Select>comp/Assembly>Create Component
再加表面标志：
命令：FMAGBC
GUI:Main Menu>Solution-Loads-Apply>-Magnetic-Flag>Comp Force/Torq
13.选择静态分析类型。
命令：ANTYPE,static,new
GUI:Main Menu>Solution>New Analysis>Static
注意：如果是需要重启动一个分析（重启动一个未收敛的求解过程，或者施加了另外的激励），使用命令ANTYPE,STATIC,REST。如果先前分析的结果文件Jobname.EMAT, Jobname.ESAV, 和Jobname.DB还可用，就可以重启动3-D静态磁场分析。
14.选择求解器，可以使用波前求解器(FRONT) (缺省值)、稀疏求解器(Sparse)、雅可比共厄梯度求解器 (JCG)、及不完全Cholesky 共厄梯度求解器(ICCG)。用下列方式选择求解器：
命令：EQSLV
GUI:Main menu>Solution>Analysis Options
推荐使用sparse 或ICCG求解器。
15. 选择载荷步选项（参见16章）。