二维时谐分析 Ansys工程电磁场有限元分析 华科电气

第三章二维时谐分析

（2-D Harmonic (AC) Analysis）

分析对象：正弦交变电流产生的效应

∙Eddy currents涡流

∙Skin effects集肤效应

∙Power loss due to eddy currents涡流损耗

∙Forces and torque力和力矩

∙Impedance and inductance阻抗和自感

∙Two contacting bodies with dissimilar meshes不同网孔（如转子/定子气隙）典型应用：

∙Transformers变压器

∙Induction machines电感器

∙Eddy-current braking systems涡流刹车系统

∙Most electromagnetic devices that work on AC交流电磁装置

不能有永磁体，不考虑磁滞效应。

3.1 线性分析与非线性分析

∙严格上讲，时谐分析只适用于线性分析。

∙中等饱和的非线性问题，如果不关心波形畸变，只关心时间平均的量，则可分析。

∙B-H曲线为等效值。

∙严格的非线性分析只能通过瞬态分析完成。

3.2 所用的单元

实体单元：

远场单元：

电路单元：

3.3 创建2D 时谐分析物理环境

自由度选项

∙ AZ ：无外加电压；用于短路导体

∙ AZ-VOLT ：允许外加电压，可模拟多种状况

t ϕ

∂=--∇∂A E

j j V ωω

∇=--

E A

Note ：d V t ϕ=⎰ (time-integrated potential)，（单位：V s ）。同一断面上

V 是常数。使用时需要对所有相关节点进行耦合。

∙ AZ-CURR ：用于电压源驱动的线圈（线圈不计涡流）

模型物理特性设置

∙短路导体

∙开路导体：耦合电位；无净电流

∙载流块导体：耦合电位；有净电流

鼠笼转子等

∙载压线圈：耦合电流；外加电压

∙载流线圈：外加电流，均匀电流密度

建模与剖分

∙ 集肤效应的考虑

集肤深度：

δ=

=

每个集肤深度至少划分一层单元。

施加边界条件与载荷

∙ 边界条件与载荷可以加在实体（线、面）上，也

可以直接加在有限元模型（节点、单元）上。

∙ 周期性边界条件：

Command(s): P ERBC2D

GUI: Main Menu> Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply> Magnetic> Boundary> Vector Poten> Periodic BCs

奇对称（odd symmetry）选项表示半个周期对称条件；

偶对称（even symmetry）表示全周期对称。

幅值、相位与频率

相位（单位为°）：只在多相分析时才有效，单相时令为0。

频率（单位为Hz）：

Command(s): H ARFRQ

GUI: Main Menu> Solution> Load Step Opts> Time/Frequenc> Freq and Substps

求解

∙定义时谐分析类型

Main Menu> Solution> Analysis Type> New Analysis，选择Harmonic analysis.

∙定义分析类型（默认Full）Main Menu> Solution> Analysis Options ∙选择方程求解器（2D默认波前求解器）Main Menu> Solution> Analysis Options

∙非线性问题迭代选项（默认）Main Menu> Solution> Load Step Opts> Nonlinear> Convergence Crit

∙设置频率：Main Menu> Preprocessor> Loads> Load Step Opts> Time/Frequenc> Freq and Substps

∙启动求解：

线性问题：Main Menu> Solution> Solve> Current LS

非线性问题：

Command(s): H MAGSOLV

GUI: Main Menu> Solution> Solve> Electromagnet> Harmonic Analys> Opt&Solv

∙跟踪收敛曲线

∙结束求解

Command(s): F INISH

GUI: Main Menu> Finish

查看结果

获得的数据:

∙Nodal magnetic flux density (BX, BY, BSUM)

∙Nodal magnetic field intensity (HX, HY, HSUM)

∙Nodal magnetic forces (FMAG: components X, Y, SUM) ∙Nodal Lorentz magnetic forces (FMAG; components X, Y, SUM)

∙Nodal reaction current segments (CSGZ)

∙Joule heat per unit volume (JHEAT)

示例：载压线圈时谐分析