电磁场有限元分析2
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element components. FOR2D ：calculates magnetic forces on a body. MMF：calculates magnetomotive force along a path. PLF2D ：generates a contour line plot of equipotentials. SENERGY ：determines the stored magnetic energy or co-energy. TORQ2D：calculates torque on a body in a magnetic field. TORQC2D：calculates torque on a body in a magnetic field based
University
2/6/2020
6）运动导体
➢ 自由度：AZ
➢ 材料属性：μr (MURX)或B-H曲线, ρ(RSVX) （各向同性）
➢ 实常数：VELOX, VELOY,OMEGAZ,XLOC,YLOC
➢ 导体运动时区域的空间位置和属性不发生变化，典型应用：
实心转子感应电机
直线感应电机
MP,MGXX,2,HC ! X component of coercive force
No.6
! B-H curve: TB,BH,2 TBPT,DEFI,-3000+HC,0 TBPT,,-2800+HC,500 TBPT,,-2550+HC,1000 TBPT,,-2250+HC,1500 TBPT,,-2000+HC,1800 TBPT,,-1800+HC,2000 TBPT,,-1350+HC,2500 TBPT,,-900+HC,3000 TBPT,,-425+HC,3500 TBPT,,0+HC,4000 TBPLOT,BH,2
M3钢
B-H曲线
emagM3.SI_MPL
M54钢 SA1010钢
B-H曲线 B-H曲线
emagM54.SI_MPL emagSa1010.SI_MPL
硅钢
B-H曲线
emagSilicon.SI_MPL
钴钢
B-H曲线
emagVanad.SI_MPL
➢ 如果同一材料同时给定B-H曲线和ur，那么使用ur
低频电磁场有限元分析（ANSYS）
孙岩桦 副教授
M&ISI, School of ME Xi'an Jiaotong Univ. Xi'an, Shaanxi, P.R. China, 710049 sunyanhua@mail.xjtu.edu.cn
西安交通大学
M&ISI School of ME Xi’an Jiaotong
3）永磁体
➢ 自由度：AZ ➢ 材料属性：μr (MURX)或B-H曲线, Hc (MGXX,MGYY)
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2/6/2020
No.5
西安交通大学
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接触分析中对接触区域建模 接触分析中对接触区域建模
CONTA175 点-面接触 AZ， 接触分析中对接触区域建模
元，1节点
No.4
§ 3.2 分析区域类型
1）空气
1. 自由度：AZ ➢ 材料属性：μr (MURX),ρ(RSVX)
2）铁磁性物质
➢ 自由度：AZ ➢ 材料属性：μr (MURX)或B-H曲线,
(1) 2D实体单元 单元类型 形状和特点 自由度
PLANE13 PLANE53
4节点四边形 3节点三角形 8节点四边形 6节点三角形
每节点最多4自由度：AZ，位移，温 度，VOLT
每节点最多4自由度：AZ，电流， EMF，VOLT
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(4) 接触单元
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单元类型 形状和特点 自由度
TARGE169 目标线段 无
接触分析中对目标区域建模
CONTA171 CONTA172
面-面接触 元，2节点
面-面接触 元，3节点
AZ AZ，
No.17
3） 后处理
基本结果：
1. 节点电磁自由度 (AZ, CURR)
间接结果：
1. 节点磁密 (BX, BY, BSUM) 2. 节点磁场强度 (HX, HY, HSUM) 3. 节点电磁力 (FMAG: X, Y分量, SUM) 4. 节点感生线电流 (CSGZ) 5. 单元源电流密度 (JSZ) 6. 单位体积焦耳热 (JHEAT) 7. ... 等.
7. PCG out-of-memory solver
c）注意事项
➢ 一般采用Sparse或Frontal solver
➢ 模型很大是，可以采用JCG或PCG solver
➢ 如果是电压激励或包含速度效应时，只能用sparse,frontal, JCG,ICCG solver
➢ 电路激励时，只能用Sparse或Frontal solver
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No.18
结果显示： 1. 磁力线：等AZ线 2. 等高线 3. 向量图
电磁力、力矩：
电参数： ➢ 线圈电阻 ➢ 电感
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4. JCG out-of-memory solver
5. Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) solver
6. Preconditioned Conjugate Gradient solver (PCG)
c）标记（FLAG）
➢ 力标记：FMAGBC宏可以直接给物体上施加麦克斯韦应力和虚 位移表面标记，以识别需要计算电磁力和力矩的物体。
➢ 无限大表面：用来表示指向无限大开区域的单元
d）其它
➢ 线电流（CSGX） ➢ 麦克斯韦表面：在包围铁磁体的空气单元上施加 ➢ 磁虚位移：在和空气接触的铁磁体边界节点上施加
➢ 实常数： CARE：线圈横截面积 TURN：线圈匝数 LENG：线圈长度，用来计算电特性 DIRZ：电流方向 FILL：填充系数，影响线圈电阻
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No.10
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No.16
2） 分析选项
a）分析类型：ANTYPE,STATIC b）求解算法
1. Sparse 2. Frontal solver(缺省) 3. Jacobi Conjugate Gradient(JCG) solver
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No.19
其它宏：
CURR2D ：calculates current flow in a 2-D conductor. EMAGERR ：calculates the relative error in an electrostatic or
electromagnetic field analysis. FLUXV ：calculates the flux passing through a closed contour. FMAGSUM ：summarizes electromagnetic force calculations on
CARE,TURN,LENG,DIRZ,FILL ➢ 用 BFE命令施加电压VLTG ➢ 耦合区域内所有单元的CURR自由度，
因为CURR是流过每匝线圈的电流
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No.9
➢ ρ(RSVX) : 各向同性
➢ 可以指定各向异性相对磁导率，MURX,MURY,MURZ
➢ 可以同时用ur和B-H曲线指定各方向磁导率，若ur=0,则使 用B-H曲线
mp,murx,2,1000 mp,mury,2,0! read B-H curve for material 2 mp,murz,2,1000
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(2) 远场单元 单元类型 形状和特点 自由度
INFIN9 2节点线元 AZ，位移，温度，VOLT
INFIN110 4节点或8节 AZ，温度，电势 点4边形
No.3
(3) 通用电路单元 单元类型 形状和特点 自由度 CIRCU124 最多6节点 每节点最多3自由度：电势，电流，EMF
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7）不同网格边界 ➢ 自由度：AZ ➢ 接触单元： TARGE169, CONTA171, CONTA172, CONTA175
No.13
§ 3.3 常用材料属性
ANSYS 材料库中预定义了如下材料的属性：
材料
特性
材料属性文件名
铜
电阻率/温度曲线，ur emagCopper.SI_MPL
No.7
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No来自百度文库8
4）电流激励多股线圈
1. 自由度：AZ ➢ 材料属性：μr ➢ 用 BFE命令施加单元电流密度JS
5）电压激励多股线圈(PLANE53)
➢ 自由度：AZ，CURR ➢ 材料属性：μr (MURX), ρ(RSVX) ➢ 实常数：
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/PREP7 HC=3000 BR=4000
! Coercive force ! Residual induction
THETA=30
! Permanent magnet orientation
*AFUN,DEG ! Angular parametric functions in degrees
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No.1
§3 2D 静态分析
3.1 所用单元 3.2 分析区域类型 3.3 常用材料属性 3.4 分析步骤 3.5 实例－电磁作动器
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No.2
§ 3.1 所用单元
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No.14
§ 3.4 分析步骤
➢ 设置分析环境(/prep7)： ➢ 建立分析模型、剖分网格并给每个区域设定
属性参数 ➢ 施加边界条件和载荷（或激励） ➢ 求解 ➢ 后处理（/post1）
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! B-H curve for material 2 ! Shifted B-H curve ! First field defaults to "DEFI"
! Plot of B vs. H
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涡流刹车系统
磁轴承
No.11
运动导体分析时所用实常数 a) VELOX, VELOY：全局笛卡尔坐标系中速度分量Z b) OMEGAZ：旋转角速度,单位：Hz c) XLOC,YLOC：旋转轴在全局笛卡尔坐标系中位置
分析时计算精度受集肤效应影响，与下面因素有关： a) 网格剖分的精细程度 b) 相对磁导率 c) 电导率 d) 速度
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No.15
1）边界条件和载荷
a）边界条件
1. 磁通垂直（缺省）： 2. 磁通平行: AZ=0 ➢ 远场:INFIN9,INFIN110 ➢ 周期性: ➢ 外部场:直接给定节点AZ值
b）激励
➢ 源电流密度（JS）：BFE, BFA ➢ 电压降（VLTG）： BFE, BFA
可以用磁雷诺数来衡量（数量级1.0之内有较高精度）：
Mre Vd
磁导率
V 运动速度
电阻率
d 沿运动方向特征长度
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6）运动导体
➢ 自由度：AZ
➢ 材料属性：μr (MURX)或B-H曲线, ρ(RSVX) （各向同性）
➢ 实常数：VELOX, VELOY,OMEGAZ,XLOC,YLOC
➢ 导体运动时区域的空间位置和属性不发生变化，典型应用：
实心转子感应电机
直线感应电机
MP,MGXX,2,HC ! X component of coercive force
No.6
! B-H curve: TB,BH,2 TBPT,DEFI,-3000+HC,0 TBPT,,-2800+HC,500 TBPT,,-2550+HC,1000 TBPT,,-2250+HC,1500 TBPT,,-2000+HC,1800 TBPT,,-1800+HC,2000 TBPT,,-1350+HC,2500 TBPT,,-900+HC,3000 TBPT,,-425+HC,3500 TBPT,,0+HC,4000 TBPLOT,BH,2
M3钢
B-H曲线
emagM3.SI_MPL
M54钢 SA1010钢
B-H曲线 B-H曲线
emagM54.SI_MPL emagSa1010.SI_MPL
硅钢
B-H曲线
emagSilicon.SI_MPL
钴钢
B-H曲线
emagVanad.SI_MPL
➢ 如果同一材料同时给定B-H曲线和ur，那么使用ur
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➢ 自由度：AZ ➢ 材料属性：μr (MURX)或B-H曲线, Hc (MGXX,MGYY)
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接触分析中对接触区域建模 接触分析中对接触区域建模
CONTA175 点-面接触 AZ， 接触分析中对接触区域建模
元，1节点
No.4
§ 3.2 分析区域类型
1）空气
1. 自由度：AZ ➢ 材料属性：μr (MURX),ρ(RSVX)
2）铁磁性物质
➢ 自由度：AZ ➢ 材料属性：μr (MURX)或B-H曲线,
(1) 2D实体单元 单元类型 形状和特点 自由度
PLANE13 PLANE53
4节点四边形 3节点三角形 8节点四边形 6节点三角形
每节点最多4自由度：AZ，位移，温 度，VOLT
每节点最多4自由度：AZ，电流， EMF，VOLT
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单元类型 形状和特点 自由度
TARGE169 目标线段 无
接触分析中对目标区域建模
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面-面接触 元，2节点
面-面接触 元，3节点
AZ AZ，
No.17
3） 后处理
基本结果：
1. 节点电磁自由度 (AZ, CURR)
间接结果：
1. 节点磁密 (BX, BY, BSUM) 2. 节点磁场强度 (HX, HY, HSUM) 3. 节点电磁力 (FMAG: X, Y分量, SUM) 4. 节点感生线电流 (CSGZ) 5. 单元源电流密度 (JSZ) 6. 单位体积焦耳热 (JHEAT) 7. ... 等.
7. PCG out-of-memory solver
c）注意事项
➢ 一般采用Sparse或Frontal solver
➢ 模型很大是，可以采用JCG或PCG solver
➢ 如果是电压激励或包含速度效应时，只能用sparse,frontal, JCG,ICCG solver
➢ 电路激励时，只能用Sparse或Frontal solver
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结果显示： 1. 磁力线：等AZ线 2. 等高线 3. 向量图
电磁力、力矩：
电参数： ➢ 线圈电阻 ➢ 电感
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4. JCG out-of-memory solver
5. Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) solver
6. Preconditioned Conjugate Gradient solver (PCG)
c）标记（FLAG）
➢ 力标记：FMAGBC宏可以直接给物体上施加麦克斯韦应力和虚 位移表面标记，以识别需要计算电磁力和力矩的物体。
➢ 无限大表面：用来表示指向无限大开区域的单元
d）其它
➢ 线电流（CSGX） ➢ 麦克斯韦表面：在包围铁磁体的空气单元上施加 ➢ 磁虚位移：在和空气接触的铁磁体边界节点上施加
➢ 实常数： CARE：线圈横截面积 TURN：线圈匝数 LENG：线圈长度，用来计算电特性 DIRZ：电流方向 FILL：填充系数，影响线圈电阻
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2） 分析选项
a）分析类型：ANTYPE,STATIC b）求解算法
1. Sparse 2. Frontal solver(缺省) 3. Jacobi Conjugate Gradient(JCG) solver
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No.19
其它宏：
CURR2D ：calculates current flow in a 2-D conductor. EMAGERR ：calculates the relative error in an electrostatic or
electromagnetic field analysis. FLUXV ：calculates the flux passing through a closed contour. FMAGSUM ：summarizes electromagnetic force calculations on
CARE,TURN,LENG,DIRZ,FILL ➢ 用 BFE命令施加电压VLTG ➢ 耦合区域内所有单元的CURR自由度，
因为CURR是流过每匝线圈的电流
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No.9
➢ ρ(RSVX) : 各向同性
➢ 可以指定各向异性相对磁导率，MURX,MURY,MURZ
➢ 可以同时用ur和B-H曲线指定各方向磁导率，若ur=0,则使 用B-H曲线
mp,murx,2,1000 mp,mury,2,0! read B-H curve for material 2 mp,murz,2,1000
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(2) 远场单元 单元类型 形状和特点 自由度
INFIN9 2节点线元 AZ，位移，温度，VOLT
INFIN110 4节点或8节 AZ，温度，电势 点4边形
No.3
(3) 通用电路单元 单元类型 形状和特点 自由度 CIRCU124 最多6节点 每节点最多3自由度：电势，电流，EMF
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7）不同网格边界 ➢ 自由度：AZ ➢ 接触单元： TARGE169, CONTA171, CONTA172, CONTA175
No.13
§ 3.3 常用材料属性
ANSYS 材料库中预定义了如下材料的属性：
材料
特性
材料属性文件名
铜
电阻率/温度曲线，ur emagCopper.SI_MPL
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4）电流激励多股线圈
1. 自由度：AZ ➢ 材料属性：μr ➢ 用 BFE命令施加单元电流密度JS
5）电压激励多股线圈(PLANE53)
➢ 自由度：AZ，CURR ➢ 材料属性：μr (MURX), ρ(RSVX) ➢ 实常数：
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! Coercive force ! Residual induction
THETA=30
! Permanent magnet orientation
*AFUN,DEG ! Angular parametric functions in degrees
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§3 2D 静态分析
3.1 所用单元 3.2 分析区域类型 3.3 常用材料属性 3.4 分析步骤 3.5 实例－电磁作动器
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§ 3.1 所用单元
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§ 3.4 分析步骤
➢ 设置分析环境(/prep7)： ➢ 建立分析模型、剖分网格并给每个区域设定
属性参数 ➢ 施加边界条件和载荷（或激励） ➢ 求解 ➢ 后处理（/post1）
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! B-H curve for material 2 ! Shifted B-H curve ! First field defaults to "DEFI"
! Plot of B vs. H
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磁轴承
No.11
运动导体分析时所用实常数 a) VELOX, VELOY：全局笛卡尔坐标系中速度分量Z b) OMEGAZ：旋转角速度,单位：Hz c) XLOC,YLOC：旋转轴在全局笛卡尔坐标系中位置
分析时计算精度受集肤效应影响，与下面因素有关： a) 网格剖分的精细程度 b) 相对磁导率 c) 电导率 d) 速度
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1）边界条件和载荷
a）边界条件
1. 磁通垂直（缺省）： 2. 磁通平行: AZ=0 ➢ 远场:INFIN9,INFIN110 ➢ 周期性: ➢ 外部场:直接给定节点AZ值
b）激励
➢ 源电流密度（JS）：BFE, BFA ➢ 电压降（VLTG）： BFE, BFA
可以用磁雷诺数来衡量（数量级1.0之内有较高精度）：
Mre Vd
磁导率
V 运动速度
电阻率
d 沿运动方向特征长度
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