Ansys电磁场分析简介

电磁场分析与有限元方法
对于电磁场问题，既可以转化为微分方程的 定解问题，也可以归结为变分问题，即求静电场能 量的极值问题。 有限元法就是以变分原理为基础，吸取差分 格式思想的一种求解微分方程的系统化数值计算方 法。它利用离散的单元，使静电场的能量近似表示 为有限个结点电位的函数。这样，求解静电场能量 的极值问题就转化为多元函数的极值问题，即对于 静电场有限元计算最后都归结为大型稀疏有限元方 程的求解。
6、ANSYS磁场分析的类型
2-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁 场，用矢势法。 2-D谐波磁场分析，分析低频交流电流或交流电压所 产生的磁场，用矢势法。 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，用矢势法。

ANSYS磁场分析的类型（续1）
3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁 场，用标势法。 3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁 场，用基于单元边的方法。 3-D谐波磁场分析，分析低频交流电流所产生的磁场， 用基于单元边的方法。这种方法适用于大部分谐波 磁场分析。
ANSYS的一些特点
用户可方便地选择MKS、CGS或其他一些单位
制作为电磁场分析的单位制。 作为标准的Frontal求解器的替代者，PCG、 ICCG和JCG迭代求解器非常适用于求解电磁 场问题，因为它们提供了势场问题的快速解法。 使用二维和三维无限边界单元，则不需要建立 环绕电磁设备的无限介质的大模型，从而可以 采用更小的模型，同时降低了对计算机资源的 需求。
有限元分析流程
有限元 程序
前置处理 Preprocessing

在Ansys/Emag或Ansys/Multiphysics中Ansys程序的电磁能力 可用来分析电磁场的多方面问题，如电感、电容、阻抗、磁 通量密度、磁场强度、磁通泄漏、涡流、电场分布、磁力线、 品质因数、特征频率、磁力和力矩、运动效应、电路和能量 损失等。
ANSYS
电磁场分析软件简介
ANSYS 介绍
ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件， 主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、 温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进 而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂， 受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化 结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件 也应运而生，ANSYS 软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土 木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各 界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。 ANSYS 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用 有限元软件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机 械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、 水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功 能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学 分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS 参数设计 语言扩展宏命令功能。

ANSYS磁场分析的类型（续2）
3-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，用基于单元边的方法。这种方法适用 于大部分瞬态磁场分析。 3-D静态磁场分析，基于节点，用矢势法。 3-D谐波磁场分析，基于节点，用矢势法。 3-D瞬态磁场分析，基于节点，用矢势法。

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7、什么是磁标势法
9、什么是基于单元边的分析？
基于单元边的方法只能用3-D分析，而不能用于2-D分
析，对大多数3-D谐波分析和瞬态分析都推荐使用这种 方法。基于单元边的方法中的自由度与单元边有关系， 而与单元节点没关系。它提供了3-D低频静态和动态电 磁场的求解能力。 这种方法同基于节点的矢势法相比计算更精确。特别 是当模型中有铁区存在的时候。但在下列情况下要用 矢势法： Ａ当模型中存在着运动效应和电路耦合时；Ｂ当模型 要求电路和速度效应时；Ｃ当模型中的单元存在着碶 型退化时；Ｄ当所分析的模型中没有铁区时。

2-D轴对称分析： 模型位于X-Y平面 电流方向只沿X-Y面的 法线方向（圆周Z方向） 磁场只有X-Y面内的分 量

4、什么时候要用三维分析？
要计算的设备不具有对称性 电流不知沿着一个方向流动 可描述2-D分析无法实现的计算

5、自由度情况

有限元计算中的主自由度是磁势或磁通量，其他的 磁场量都由这些主自由度给出。具体问题中的自由 度可以是磁矢势、磁标势和磁通量，这要根据所选 择的单元类型和单元选项来选择。
有限元方法
有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成 有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点， 将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集 合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量， 并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中 场函数的分布规律，进而利用力学中的某些变分原 理去建立用以求解节点未知量的有限元法方程，从 而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中 的有限自由度问题。一经求解就可以利用解得的节 点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体 上的场函数。



ANSYS电场分析功能可用于研究电场的三方面的问题：电流传导、静电分析和电路分析。 感兴趣的物理量包括电流密度、电场强度、电势分布、电通量密度、传导产生的焦耳热、贮能、力、电容、电 流以及电势降等。 主要优点之一是耦合场分析功能。磁场分析的耦合场载荷可被自动耦合到结构、流体和热单元上。此外在对电 路耦合器件的电磁场分析时，电路可被直接耦合到导体或电源，同时也计及运动的影响。
可用来分析以下设备
电力发电机 变压器 螺线管 电动机 磁成像系统 回旋加速器 磁悬浮装置 图像显示设备传感器

磁带和磁盘驱动器 波导 谐振腔 开关 天线辐射 滤波器 等离子体装置 电解槽


用于Ansys电磁场分析的有限元公式由磁场的Maxwell 方程组导出，通过将标量势或边界通量引入Maxwell方 程组中考虑其电磁性质关系，就可以开发出适合于有 限元分析的方程组。

8、什么是磁矢势（MVP）法？
是基于节点方法中的一种（标势法是另一种
节点法），矢势法中的节点自由度要比标势 法多：AX、AY和AZ，亦即X、Y和Z方向的 磁矢量势。在载压或电路耦合分析中还可以 引入另外三个自由度：电流（CURR），电 动势降（EMF）和电势（VOLT）。2-D磁分 析必须采用矢势法，此时主自由度只有AZ。 在矢势法中，电流源（导电区域）要作为整 个有限元模型的一部分。因为它的节点自由 度更多，所以它的运算速度较慢。

这种方法可将电流源按“基元”建模，而不是单元， 这样电流源可以不是有限元的一部分，只是在相应位 置考虑它们对磁场的贡献。它不受模型其他部分的限 制，建立模型更容易。
标势法的特点
可用砖型（六面体）、碶型、金字塔形、四面体型 单元。 电流源用“基元”（原始实体）定义 可含永久磁体 允许线性和非线性磁导率 可用节点耦合和约束方程
ANSYS的一些特点（续1）
Ansys提供了丰富的线性和非线性材料的表达方式， 包括各向同性或正交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 强度并进行力、力矩、源输入能量、感应系数、端 电压和其他参数计算。

ANSYS的一些特点（续2）
工程问题
搜集相关资料 决定分析项目 获取材料的机械性质及几何条 件、外力、边界条件 建立有限元模型 材料性质 几何形状的定义 元素切割的产生 加边界条件 加负荷条件 加时间变化情形 分析 分析结果显示与打印 不合理 不合理 结果研判 合理 提出改进方法 问题解决或得到最佳设计 解题程序 Solution 后置处理 Post processing
1、在电磁场分析中要计算的量
磁通密度 磁场强度 磁力及磁矩 阻抗 电感 涡流

能量损耗 磁漏 S-参数 品质因数 反射波损耗 特征频率

2、电磁场的来源

电流、外加磁场、永磁体
3、什么时候要用二维分析？
2-D平面分析： 忽略终端效应 模型位于X-Y平面 电流方向只沿X-Y面的 法线方向（Z方向） 磁场只有X-Y面内的分 量