ansys电机电磁、振动、噪声多物理域自动化耦合分析
Ansys电机电磁震动和噪声分析流程
Maxwell 分析模型介绍
分析模型为 Prius 电机的二维分析模型。 瞬态分析模型的各项设置已经设置好。 如需要详细了解如何设置电机的瞬态分析模型，请查看其他相关培训文件。
定子铁心
Phase C Phase B 转子 轴 Phase A Phase C
磁钢
Maxwell 模型修改
为了精确分析定子齿部的径向电磁力，并将力密度的分布耦合到后续的谐响应分 析中。需要将定子齿部“分割”出来，并施加更细密的网格剖分。
调整仿真时间与步长
双击 Projects 管理窗口上的 Analysis>Setup1 设置仿真停止时间 Stop Time 为10ms 设置时间步长 Time Step 为 50us 点击 OK
激活瞬态电磁场与谐响应分析的耦合分析选项
激活瞬态电磁场与谐响应分析耦合分析选项 点击菜单Maxwell2D > Enable Harmonic Force Calculation 在弹出的Enable Harmonic Force Coulping 窗口中， 1. 选中Enable Force Calculation， 2. 在每一个齿尖模型的选择框中，打勾如下图。 3. 点击 OK 。 Maxwell将会在最后一个完整周期， 计算每一个选中物体的瞬时电磁力， 并通过傅里叶分析，转化成频域的 电磁力数据，频率范围是从直流到 DC to 1/(2*dT).
在弹出的 Element Length Based Refinement 窗口中， 1. 将 Name 改成 Length_ToothTips 2. Restrict length of Elements: 3. Maximum Length of Elements: 0.25 mm 4. 点击 OK 改善曲线网格剖分 选中所有的物体（ Ctrl + A） 点击菜单 Maxwell 2D > Mesh Operations > Assign > Surface
基于ANSYS Workbench的开关磁阻电机定子振动分析
基于ANSYS Workbench的开关磁阻电机定子振动分析赵玉成;郑宝周;顿文涛;李富强;袁超;马斌强【摘要】The finite element model of SRM stator including coolingfin,motor enclosure and endshield is built to carry on the modal analysis with ANSYS Workbench software.The natural frequencies of SRM stator excluding the endshield is compared with the corresponding modal shapes of the SRM stator including the endshield.The results show that the lower rank natural frequencies of SRM stator inclu-ding the endshield are increased compared with those of the SRM stator including the endshield.The motor endshield has a significant effect on the natural frequencies of the SRM stator which can not be ignored in the study of motor noise.%建立了计及散热筋、电机壳和端盖的开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)定子的有限元模型,应用ANSYS Workbench软件对其进行模态分析,比较了不计及端盖和计及端盖的定子对应模态振型的固有频率.结果表明,计及端盖的SRM定子的低阶模态固有频率相比不计及端盖时明显升高,端盖对SRM定子振动的固有频率有很大的影响,在电机噪声抑制的分析研究中,是不容忽略的重要因素.【期刊名称】《河南农业大学学报》【年(卷),期】2018(052)003【总页数】5页(P366-370)【关键词】开关磁阻电机;定子;模态分析;ANSYS Workbench【作者】赵玉成;郑宝周;顿文涛;李富强;袁超;马斌强【作者单位】河南省农业机械试验鉴定站,河南郑州450008;河南农业大学理学院,河南郑州450002;河南农业大学信息化办公室,河南郑州450002;河南农业大学理学院,河南郑州450002;河南农业大学理学院,河南郑州450002;河南农业大学理学院,河南郑州450002【正文语种】中文【中图分类】TM352开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)作为一种无需稀土材料的无刷直流调速电机，随着电力电子、计算机和控制技术的快速发展而迅速发展起来。
ansys maxwell+workbench 2021 电机多物理场耦合
ansys maxwell+workbench 2021 电机多物理场耦合1. 引言1.1 概述本文旨在介绍ANSYS Maxwell+Workbench 2021在电机多物理场耦合方面的应用。
随着现代电力技术的迅猛发展，电机在各个领域中扮演着重要角色。
然而，电机设计与优化面临着许多复杂的问题，包括电磁场、结构和热场等多种物理场的相互影响。
因此，通过使用ANSYS Maxwell+Workbench工具来实现电机多物理场耦合模拟是一种有效的方法。
1.2 文章结构本文将分为五个部分进行阐述。
首先，在引言部分进行概述，并介绍文章结构。
第二部分将简要介绍ANSYS Maxwell+Workbench 2021工具的基本背景和功能特点。
接下来的第三部分将解析电机多物理场耦合的概念和原理，以便读者更好地了解该主题。
第四部分将重点介绍ANSYS Maxwell+Workbench在电机多物理场耦合中的应用，包括Maxwell在电磁场建模中的应用以及Workbench 在结构和热场建模中的应用，并通过实例讲解详细说明其使用方法。
最后，在第五部分对实验结果进行总结与分析，并展望该领域未来的发展趋势和应用前景。
1.3 目的本文的目的是向读者介绍ANSYS Maxwell+Workbench 2021工具在电机多物理场耦合中的应用。
通过了解该工具的基本背景、功能特点以及原理，读者能够更好地了解电机设计优化过程中多物理场相互耦合的问题，并学习如何使用ANSYS Maxwell+Workbench进行模拟和分析。
希望该文章能为电机设计和优化提供一定的指导，并对相关领域的研究人员和工程师有所帮助。
2. ANSYS Maxwell+Workbench 2021简介：2.1 ANSYS Maxwell简介：ANSYS Maxwell是一款电磁场仿真软件，旨在帮助工程师和设计师将电磁设计与虚拟原型建模相结合。
它提供了广泛的功能和工具，用于建模、分析和优化各种设备和系统中的电磁场问题。
2013 ANSYS UGM 电机多物理场分析解决方案及应用案例
ANSYS多物理场解决方案：WB平台多物理场分析
ANSYS多物理场解决方案：WB平台多物理场分析
ANSYS Workbench… Multi-physics platform
Drag-Drop实现物理场耦合流程
同一模型
非同一模型
电机多物理场分析内容及流程：一般流程
电机分析设计
• 几何外形 • 线圈 • 材料 CAD设计
温度分析
仿真分析价值
有助于理解电机由于温度载荷引 起的性能变化
项目评价
电磁—温度场---热应力分析
热变形结果
电机多物理场案例分享
WB平台下电机电磁振动噪声---优化分析案例流程
电机多物理场案例分享
电磁---流动传热双向耦合分析案例流程
Mapped Loss
Electromagnetics
Temperature
电机多物理场分析解决方案及应用案例
包刚强
CADFEM高级咨询专家
北京福思营销顾问有限公司呈送
目录
• • • • 电机多场分析目的 ANSYS多物理场解决方案 电机多物理场分析内容及流程 电机多物理场案例分享
电机多场分析目的：电机常规设计流程
产品规格 技术要求 给定 详细设计阶段 电机设计 参数确定 国内或国际标准 半经验公式方法
常规电磁设计 校核 上百个公式 四迭代计算 变量组合 计算工作量非常大， 且有很多重复过程。 特别是系列设计，计 算量就更大，更复杂 常规结构设计 校核 总体结构型式 零部件结构型式 装配，连接 常规冷却设计 校核 总风量、风量分配 通风损耗和效率 风路设计 传统热路法计算温升准确性 机械性能计算，随结构 低，且只能估算绕组和铁芯 本身，工艺和加工以及 冷却、电磁变化而变化， 均温，无法了解温度分布情 况及过热点准确位置和数值 重复、改变多
ANSYS多物理耦合场有限元分析详细步骤操作
ANSYS热分析
传导
• 传导引起的热通量流由传导的傅立叶定律决定：
q*
Knn
T n
heat flow rate per unit area in
direction n
Where,
Knn thermalconductivity in direction n
T temperature
• 对流一般作为面边界条件施加
TB
Ts
ANSYS热分析
热力学第一定律
• 能量守恒要求系统的能量改变与系统边 界处传递的热和功数值相等。
• 能量守恒在一个微小的时间增量下可以 表示为方程形式
Estored Ein thru the boundary Eout thru the boundary Egenerated 0
SHELL57 SHELL131
LINK31,32,33,34
Quadratic
PLANE77 PLANE35
SOLID90 SOLID87
SHELL132
• 材料特性
– 至少需要 Kxx — 稳态分析热传导系数。 – 如果是瞬态分析，则需要比热 (C) 。 – 优先设置为 “thermal” （热分析），在 GUI 方式中只显示热材料特性。
T
Dt
如果时间步长 太大, 就不能 得到足够的温度梯度。
t
一种方法是先指定一个相对较保守的初始时间步长，然后使用自动时间步长 按需要增加时间步。下面说明使用自动时间步长大致估计初始时间步长的方 法。
ANSYS热分析
时间步大小说明 (续)
在瞬态热分析中大致估计初始时间步长，可以使用Biot和Fourier数。 Biot 数 是无量纲的对流和传导热阻的比率:
基于ANSYS Workbench平台的电机电磁噪声仿真分析
基于ANSYS Workbench平台的电机电磁噪声仿真分析电动机与发电机等电力设备的噪声起因很多，有电磁振动噪声、机械噪声及流致噪声等等，本文通过ANSYS公司的官方案例为操作背景，详细介绍如何将作用在定子上的瞬态电磁力作为结构谐响应分析的载荷计算振动噪声。
1.电磁模型建立与分析如图1所示为一个电机模型，电机的额定输出功率为550W，额定电压为220V，极对数为4，定子齿数为24个，转子的转速为1500rpm，求电磁振动产生的噪声大小。
本算例使用的模块如下：RMxprt模块：建立电机类型；Maxwell模块：2D瞬态电磁场计算；Structural模块：3D谐响应分析计算；Acoustics ACT模块：噪声计算注：Acoustics ACT模块需要单独安装，请用户到官方网站上自行下载。
图1电机模型电机的电路模型如图2所示。
图2电机电路模型1）启动Workbench。
在Windows XP下单击“开始”→“所有程序”→ANSYS15→Workbench 15命令，即可进入Workbench主界面。
2）保存工程文档。
进入Workbench后，单击工具栏中的按钮，将文件保存为“zhendongzaosheng.wbpj”，单击Getting Started窗口右上角的（关闭）按钮将其关闭。
3）双击Toolbox→Analysis System→RMxprt模块建立项目A，如图3所示。
4）双击项目A中的A1栏进如RMxprt电机设置平台，如图4所示。
图3RMxprt模块图4RMxprt平台5）依次选择菜单RMxprt→Machine Type，在弹出的电机类型选择对话框中单击Generic Rotating Machine选项，单击OK按钮，如图5所示。
6）单击Project Manager→RMxprt→Machine选项，在下面出现属性设置对话框中作如下设置：在Source Type栏中选择AC选项；在Structure栏中选择Inner Rotor选项；在Stator Type栏中选择SLOT_AC选项；在Rotor Type栏中选择PM_INTERIOR选项，如图6所示。
Ansys电磁场分析简介
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
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
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4、什么时候要用三维分析？
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。
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。
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ANSYS磁场分析的类型（续1）
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。
基于ANSYS三相异步电机实验平台设计
基于ANSYS三相异步电机实验平台设计作者：刘杰吴凡夫梅建伟来源：《科技风》2020年第22期摘要：课题利用ANSYS软件建立了三相异步电机仿真模型，对物理环境、定子/转子等模型建立以及单元属性类别等涉及到三相异步电机建模的几个关键要素进行了详细的阐述，利用matlab建立了异步电机转子磁场定向矢量控制系统模型，分析了ANSYS与matlab的协同仿真技术。
实验结果表明，该实验平台使得抽象的概念更加清晰直观，满足了电机实验系统的要求。
关键词：ANSYS;三相异步电机;建模;仿真传统电机的设计中开发和实验周期长成本高，而现代电机由于磁极形状、齿槽分布等复杂多样，使得磁路十分复杂，使得经典的电机设计及其实验方法已经不能满足需要。
针对电机设计和实验中的核心问题，采用ANSYS软件建立异步电机定子/转子等模型，与其他软件协同仿真，准确地计算出电机的磁场分布、电感、力矩等，分析电机的散热、机械特性以及电磁性能[1]。
1 ANSYS三相异步电机实验平台ANSYS电机及控制系统集成化设计方案可解决电机本体及控制系统的快速设计、方案优选和电机精确电磁性能分析等问题。
用户还可根据需要，补充结构、噪声分析等软件，即可实现单向或双向的电机多物理域协同设计、高精度电机及控制系统集成化设计等[2]。
三相异步电机实验系统包括：异步电机本体和控制系统建模、协同仿真技术以及实验结果分析和处理。
基于ANSYS的异步电机建模的实质是在计算机中运行电机，主要分为前处理（建模）、网格划分、加载设置求解以及后处理。
建模可以使用GUI控制流或者命令流，首先建立异步电机的各单元，比如定子铁心、定子绕组、转子等，再对每一部分进行划分网格和单元类型定义，保证电机建模的完整性。
2 异步电机建模步骤2.1 物理環境的创建物理环境的创建主要包括定义工作标题、定义文件工作名、定义分析类型、进入前处理、异步电机定子和转子基本参数设置、参数和单元类型定义以及组件特性定义。
ANSYS的多场耦合技术new
Time loop Stagger loop
SP3
Solve
Loads transfers
Solve
SP4
Convergence
End Stagger loop
End Stagger loop
End Time loop
Time convergence End Time loop
SP5
End
SOCKET
在Workbench中的默认方法是通过 CFD-Post来进行各种数据 传递 支持热和结构的载荷传递，但只支持面载荷
• 温度 • 对流传热系数 • 压力
Beta功能可以实现体载荷的传递 传统的FLUENT mapping 方法可以通过命令行在Mechanical
中实现 FLUENT会在后台执行 journal 文件 支持面载荷和体载荷的热和结构的载荷
双向的流固耦合 数据在流体系统和结构系统自动传递 在Workbench中CFX可以实现
• 不需要外部的软件和脚本语言
在Workbench中FLUENT需要通过脚本语言（Jscript）
• 需要脚本语言（Jscript） 和UDF方法
© 2008 PERA Global
载荷传递的方法和类型
Connections are automatically created between both systems when drop is complete
Drag
© 2008 PERA Global
Drop
Connecting Analysis Systems for FSI (2)
Right-click on Solution cell in FLUENT Fluid Flow system Select Transfer Data To New from pop-up menu Then select the target system to transfer data to from
基于ANSYS平台的电机NVH仿真分析流程
基于ANSYS平台的电机NVH仿真分析流程1前言电机NVH是指电机在运行过程中对外表现出的噪声、振动与声振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness），其主要包括三个来源，即电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声，在这三类噪声中，电磁噪声的频率相对来说处于高频段，尤其是与驱动器开关频率相关的电磁噪声的频率刚好处于人耳最敏感的噪声频率区间，其幅值基本上决定了电机NVH的整体指标，同时相较于其他两类噪声，电磁噪声更容易通过电机电磁和机械结构的优化设计进行有效的抑制，因此电机电磁振动噪声是我们重点关注的对象。
由于电机NVH问题的相关理论复杂，同时涉及电磁/结构/声学多学科，是典型的多物理场耦合问题，其仿真分析具有一定难度。
在ANSYS2019中，利用Maxwell2D/3D快速仿真电机在多转速下定、转子表面的频域电磁力并无缝链接到Workbench平台HarmonicResponse模块进行多转速谐响应分析，得到电机的ERP Level Waterfall图，用于分析电机在各转速下的谐振情况；同时多转速谐响应分析结果也可传递到Harmonic Acoustics模块进行Sound Power Level Waterfall的分析，用于进一步对电机噪声水平进行评估。
另外，借助于多目标优化模块可对包括电机NVH在内的各项性能指标进行参数化寻优，快速实现产品迭代创新。
本文以典型的8极48槽内置式永磁电机为例，详细介绍在ANSYS平台下电机NVH 仿真分析的流程，希望对各位工程师有所帮助。
2Maxwell电机参数化模型的建立本文虚构了一台典型的IPM电机方案，采用8极48槽，V字型磁钢，单层整距绕组，转子轴向分4段V型斜极，其他参数见表1。
表1电机参数极数8转子外径148.6mm槽数48转子内径80mm磁极类型V转子分段数4定子外径230mm绕组形式单层定子内径150mm跨距6铁心叠长100mm线圈匝数8Maxwell软件具有多种参数化建模方法，我们推荐采用软件内置UDP(User Defined Primitives)或自定义UDP的方式来建模，Maxwell内置了大量UDP模型，涵盖了各种常规电机的定、转子、绕组、机壳的模型，调用方法为Draw>User Defined Primitive>RMxprt，UDP模型中的所有几何尺寸皆可用变量进行定义以实现参数化。
ansys电机电磁、振动、噪声多物理域自动化耦合分析
Magnetic Field Structural Dynamics
谐响应分析
噪声分析
Acoustic Field
Forces
Displacements
自动化的分析流程
激活噪声计算（ACT）选项
在Workbench页面激活: 1. 选择 “Install Extension …” 选项 2. 打开对话框，选择“*.wbex” 文件 (e.g., ExtAcoustics_150.26.wbex，可以从网上下载) 3. 安装完毕 4. 选择“Manage Extensions …” 选项 5. 激活 ExtAcoustics
Fluid Cooling Phenomena
Electronic
Switching Harmonics
Slot Harmonics Magnetic Unbalance
Stator Rotor Couplings
Modes of Vibration
Bearings
Balancing Dynamic Eccentricity
电机电磁、振动、噪声多物理域 自动化耦合分析
Agenda
• 电机噪声综述
• 电机振动噪声分析流程
• 新的无缝集成的噪声自动化分析流程
• 总结
电机噪声介绍
Noise Sources
Magnetic
Radial
Self Auxiliaries Load Induced
Mechanical
Aerodynamic
径向电磁力计算
• 利用气隙磁通密度计算力密度
• Maxwell张力法
– 计算定子上任意一点的力密度 – 计算气隙上某条线上的力密度 – 计算定子齿尖的力密度
ANSYS电机磁场分析
ANSYS电机磁场分析ANSYS电机磁场分析是一种利用计算机仿真技术来模拟和分析电机磁场行为的方法。
它可以帮助工程师更准确地预测电机的性能和行为，优化设计，节省成本和时间。
在本文中，我们将详细介绍ANSYS电机磁场分析的原理、应用和优势。
首先，让我们来了解一下ANSYS电机磁场分析的原理。
ANSYS电机磁场分析是基于有限元法的磁场仿真技术，它通过将电机模型划分为许多小单元来离散化计算域，并根据麦克斯韦方程组（包括安培定律和法拉第电磁感应定律）建立电场和磁场方程。
然后使用数值计算方法，如有限差分法、有限元法或边界元法，求解这些方程，得到电磁场的分布情况。
ANSYS电机磁场分析的应用非常广泛，适用于各种类型的电机，包括直流电机、交流电机和无刷直流电机。
它可以用于预测电机的输出功率、扭矩、效率和温度等性能指标，也可以用于优化电机的设计参数，如绕组形状、磁路结构和冷却系统等。
此外，ANSYS电机磁场分析还可以用于故障诊断和故障检测，通过观察电磁场的异常变化来判断电机是否存在故障。
与传统的试验方法相比，ANSYS电机磁场分析具有许多优势。
首先，它可以提供高精度的结果，尤其在复杂几何形状和非线性材料的情况下。
其次，它可以快速计算出电机的性能参数，避免了繁琐的试验过程和高昂的试验成本。
此外，ANSYS电机磁场分析还可以帮助工程师更好地理解电机的工作原理和内部结构，为电机的优化设计提供参考。
在进行ANSYS电机磁场分析时，需要考虑一些关键因素。
首先是边界条件的设置，包括电机的输入电压、电流密度和绝缘材料等。
其次是材料特性的输入，如导磁率、电导率和磁饱和特性等。
此外，还需要准确地建立电机的几何模型，并设置合适的网格划分和求解参数，以保证计算的准确性和效率。
总而言之，ANSYS电机磁场分析是一种强大的工具，可以帮助工程师更好地理解和优化电机的性能。
它可以提供高精度的结果，快速计算各种性能指标，并帮助诊断和检测电机故障。
ANSYS CFD Multiphase 多物理场耦合分析课件
– Equilibrium or single-phase multicomponent approach:
• 假定质量传输过程快速 • 代数法确定体分数(能量方程) • 将‘Wet steam’ 看成单相流体
– Nonequilibrium approach
• 求解体分数输运方程
• 模化相间有限质量输运率(finite interphase mass transfer rates)
• Oil and Gas
Industry
– Oil wells
• Gas cleaning • Fluidized bed reactors • Bubble columns • Polymer production • Mixers • Dryers
• Power Generation
– Pipelines • Environment
学习交流PPT
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Examples of Condensation
学习交流PPT
24
Cavitation Examples and Effects
学习交流PPT
25
学习交流PPT
26
学习交流PPT
27
Mass Transfer Models
• 模化相间的质量变化有两种方法. 如果传递非常快速而且不关心过程细节, 可以假定两相始终处于热动力平衡状态(thermodynamic equilibrium). 对有 限速率的质量传递, 可做真实的多相流分析,两相并非始终处于热动力平衡 状态.
学习交流PPT
16
Interphase Drag
• 类似于苏打饮料瓶内气泡在流体内的上升:
• 气泡通过液体的上升. 上升速度不同, 相间拽力或动
ANSYS耦合场分析指南
第一章耦合场分析1.1耦合场分析的定义耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析。
例如压电分析，考虑结构和电场间的相互作用：求解由施加位移造成的电压分布或相反过程。
其它耦合场分析的例子有热－应力分析，热－电分析，流体－结构分析。
需要进行耦合场分析的工程应用有压力容器（热－应力分析），流体流动的压缩（流体结构分析），感应加热（磁－热分析），超声波换能器（压电分析）以及磁体成形（磁－结构分析），以及微电机械系统（MEMS）等。
1.2耦合场分析的类型耦合场分析的过程依赖于所耦合的物理场，但明显可以可分为两类：顺序耦合和直接耦合。
1.2.1 顺序耦合方法顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析，每一种属于不同物理场的分析。
通过将前一个分析的结果作为载荷施加到第二个分析中的方式进行耦合。
典型的例子是热－应力顺序耦合分析，热分析中得到节点温度作为“体载荷”施加到随后的应力分析中去。
1.2.2 直接耦合方法直接耦合方法一般只涉及到一次分析，利用包括所有必要自由度的耦合场类型单元。
通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。
例如使用了SOLID5、PLANE13或SOLID98单元的压电分析。
另外的例子如利用TRANS126单元的MEMS分析。
1.2.3 直接法与顺序法的应用场合对于耦合情况的相互作用非线性程度不是很高的情况，顺序耦合法更有效，也更灵活。
因为两个分析之间是相对独立的。
例如在热应力顺序耦合分析中，可以先进行非线性瞬态热分析，然后再进行线性静力分析。
可以将瞬态热分析中任一载荷步或时间点的节点温度作为载荷施加到应力分析中。
顺序耦合可以是不同物理场之间交替进行执行，直到收敛到一定精度为止。
当耦合场之间的相互作用是高度非线性的，直接耦合具有优势。
它使用耦合变量一次求解得到结果。
直接耦合的例子有压电分析，流体流动的共轭传热分析，电路－电磁分析。
这些分析中使用了特殊的耦合单元直接求解耦合场间的相互作用。
ANSYS耦合场分析指南第三章
ANSYS耦合场分析指南第三章发表时间：2007-11-20 作者: 安世亚太来源: e-works关键字: ANSYS 耦合场分析 CAE教程第三章直接耦合场分析3.1进行直接耦合场分析在直接耦合场分析中，只需用耦合场单元进行一次分析。
表3-1中列出了具有耦合场分析能力的单元。
1. 有限元模型可以混合一些带有VOLT自由度的耦合场单元，要保证相容性，单元必须有相同的支反力（参见《ANSYS Electromagnetic Field Analysis Guide》中的第§13.3节）。
耦合场单元包含所有必要的自由度，通过计算适当的单元矩阵（矩阵耦合）或是单元载荷矢量（载荷矢量耦合）来实现场的耦合。
在用矩阵耦合方法计算的线性问题中，通过一次迭代即可完成耦合场相互作用的计算，而载荷矢量耦合方法在完成一次耦合响应中至少需要二次迭代。
对于非线性问题，矩阵方法和载荷矢量耦合方法均需迭代。
表3-2给出了ANSYS/Multiphysics产品用于直接方法时所支持的不同类型的耦合场分析，以及每种类型所需要的耦合类型。
想进一步了解有关矩阵和载荷矢量耦合请参阅《ANSYS Theory Reference》。
ANSYS/Professional软件包只支持热－电直接耦合，ANSYS/Emag软件包只支持电磁场和电磁－电路直接耦合。
注意－在子结构分析中使用载荷矢量耦合方法的耦合场单元无效。
在生成子结构的过程中，迭代解无效，所以，ANSYS程序忽略所有的载荷矢量和反馈耦合效应。
因为有时载荷矢量耦合场单元的非线性行为可能很严重，故需要用到预测器和线性搜索选项以加强收敛。
《ANSYS Structural Analysis Guide》中的§8介绍了这些选项。
对于上述的分析类型，本章将重点介绍如何进行热－电分析、压电分析、磁－结构分析和电磁－结构分析。
3.1.1热－电分析在ANSYS/Multiphysics和ANSYS/Professional软件包中提供热－电分析功能，即计算导体中由于直流电(DC)带来的焦耳热所造成的温度分布。
ANSYS结构声振耦合解决方案[精]
![ANSYS结构声振耦合解决方案[精]](https://img.taocdn.com/s3/m/ebb841c8941ea76e58fa0474.png)
ANSYS声学模型
声学流体材料 流体密度 流体中声速 边界声吸收系数
F
拉伸
u
压缩
超弹特性
结构材料
弹性材料 超弹材料 粘弹材料 弹塑性材料 其他材料
s
e.
e. 0 粘弹特性 e
ANSYS声学流体单元
Solid185+Neo-Hookean
根据应变大小和 材料数据选择适 当的超弹模型
声学超弹材料
HYPER5x单元超弹性模型
包括 HYPER56, 58, 74 和 158 仅用于模拟几乎不可压缩 M 和 86 模拟Blatz-Ko可压缩泡沫类材料
ANSYS能够定义任意球面波、柱面波和任意方向的平面波等 等
ANSYS提供声传播和声-振耦合分析功能，完整覆盖低高频 声振范围，全面解决多介质、多界面的声传播和结构振动耦 合稳态、瞬态和谐振
动力学
声压级
自由振动—模态分析
声波散射、衍射、传输、
瞬态振动
辐射、衰减等参数
谐振动
结构动态变形应力等
随机振动
声波从空气传入水中
主动声纳探测
声波在管内震荡
主动声纳探测
ANSYS声学模型
FSI—流固界面
结构单元与流体单元接触作用表面 定义流体压力与结构作用界面
Mooney-Rivlin模型
两项形式拉伸应变可达90~100%； 更多项形式可以捕捉工程应力-应变曲线的拐点 5~9项形式应变可达100~200%
Arruda-Boyce模型——8链模型
基于统计的模型，需要的实验数据很少 应变可达300%
ansys电机电磁、热流体耦合分析及工程应用
400.00 Time [ms]
500.00
600.00
700.00
800.00
Maxwell2D 空载仿真结果
铁耗
1750.00
XY Plot 6
1_high_noload
ANSOFT
1500.00
Manufacture Factor*：2
Data
Voltage(V)
No Load Test Data Maxwell 2D
625.00 600.00
750.00
700.00750.00
875.00 810.00 800.00
9
© 2013 ANSYS, Inc.
May 27, 2014
Maxwell2D 负载仿真结果
XY Plot 1
1_high_rated
ANSOFT
25.00
20.00
Test data: 7303 N-m
Outer Cooling Fan Radial Ventilation Ducts
13
© 2013 ANSYS, Inc.
May 27, 2014
电磁、热流体耦合分析
FLUENT: Thermodynamics Maxwell : Power Loss
Mapping
Could use different mesh topology. Third-party software is not necessary. Easy of use GUI
ANSYS耦合场分析指南-73页word资料
ANSYS耦合场分析指南第一章耦合场分析1.1耦合场分析的定义耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析。
例如压电分析，考虑结构和电场间的相互作用：求解由施加位移造成的电压分布或相反过程。
其它耦合场分析的例子有热－应力分析，热－电分析，流体－结构分析。
需要进行耦合场分析的工程应用有压力容器（热－应力分析），流体流动的压缩（流体结构分析），感应加热（磁－热分析），超声波换能器（压电分析）以及磁体成形（磁－结构分析），以及微电机械系统（MEMS）等。
1.2耦合场分析的类型耦合场分析的过程依赖于所耦合的物理场，但明显可以可分为两类：顺序耦合和直接耦合。
1.2.1 顺序耦合方法顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析，每一种属于不同物理场的分析。
通过将前一个分析的结果作为载荷施加到第二个分析中的方式进行耦合。
典型的例子是热－应力顺序耦合分析，热分析中得到节点温度作为“体载荷”施加到随后的应力分析中去。
1.2.2 直接耦合方法直接耦合方法一般只涉及到一次分析，利用包括所有必要自由度的耦合场类型单元。
通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。
例如使用了SOLID5、PLANE13或SOLID98单元的压电分析。
另外的例子如利用TRANS126单元的MEMS分析。
1.2.3 直接法与顺序法的应用场合对于耦合情况的相互作用非线性程度不是很高的情况，顺序耦合法更有效，也更灵活。
因为两个分析之间是相对独立的。
例如在热应力顺序耦合分析中，可以先进行非线性瞬态热分析，然后再进行线性静力分析。
可以将瞬态热分析中任一载荷步或时间点的节点温度作为载荷施加到应力分析中。
顺序耦合可以是不同物理场之间交替进行执行，直到收敛到一定精度为止。
当耦合场之间的相互作用是高度非线性的，直接耦合具有优势。
它使用耦合变量一次求解得到结果。
直接耦合的例子有压电分析，流体流动的共轭传热分析，电路－电磁分析。
这些分析中使用了特殊的耦合单元直接求解耦合场间的相互作用。
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The user has just to link graphically Maxwell and ANSYS Harmonic. Behind the scene line, we: - Compute the Magnetic fields - Compute the Magnetic Forces - Compute a FFT object per object - Couple 2 different geometries incl. symmetries - Couple 2 mesh topologies - Automatically apply the amplitudes and phases - Get the Harmonic Response
0.5 m
Pres_1 Pres_2 Pres_3 Pressure (Pa)
Pressure vs Freq
Freq(Hz)
Agenda
• 电机噪声综述
• 电机振动噪声分析流程
• 新的无缝集成的噪声自动化分析流程
• 总结
振动噪声分析流程
EM Force EM Force Mapping 电磁场分析
Magnetic Field Structural Dynamics
谐响应分析
噪声分析
Acoustic Field
Forces
Displacements
自动化的分析流程
激活噪声计算（ACT）选项
在Workbench页面激活: 1. 选择 “Install Extension …” 选项 2. 打开对话框，选择“*.wbex” 文件 (e.g., ExtAcoustics_150.26.wbex，可以从网上下载) 3. 安装完毕 4. 选择“Manage Extensions …” 选项 5. 激活 ExtAcoustics
径向电磁力计算
• 利用气隙磁通密度计算力密度
• Maxwell张力法
– 计算定子上任意一点的力密度 – 计算气隙上某条线上的力密度 – 计算定子齿尖的力密度
• 边的力密度
– Maxwell的默认输出量 – 可以用于计算定子齿尖的集总力
• 自动从Maxwell耦合力密度到ANSYS
Mechanical. (2D-2D, 2D-3D, 3D-3D)
Fluid Cooling Phenomena
Electronic
Switching Harmonics
Slot Harmonics Magnetic Unbalance
Stator Rotor Couplings
Modes of Vibration
Bearings
Balancing Dynamic Eccentricity
电磁、结构两种耦合方式
• 直接力密度耦合
– 电磁力通过Workbench从Maxwell 耦合到Mechanical – 2D边密度和3D面密度 – 用于后续的瞬态结构分析
• 集总力耦合
– 通过Maxwell的 ‘EdgeForceDensity’计算齿尖部 分的电磁力 – 通过手动和APDL设置集中力 – 用于后续的谐响应分析和噪声分析
Pref = 2e-5 Pa Microphone
交流噪声分析
Pressures
噪声还原
利用噪声声压的Re/Im值 麦克风可以近似为一个线性的转化器， 将声压信号[Pa]转化成电压信号[mV] 将电压信号缩放到可以听到的范围 比较: - 3800Hz的单频信号 - 4400Hz的单频信号 - 多频混合信号 {2400, 3800, 4400, 4800}Hz
12.50
TR
10ห้องสมุดไป่ตู้00
10.00
5.00
FEA1.TORQUE
7.50
Y1 [A]
20.00 22.50 25.00 27.50 30.00 Time [ms] 32.50 35.00 37.50 40.00
0.00
-5.00
5.00
-10.00
2.50
-15.00
0.00
-20.00 20.00 22.50 25.00 27.50 30.00 Time [ms] 32.50 35.00 37.50 40.00
-100.00
-150.00
Curve Info ExprCache(ToothTipRadial_Full1) ExprCache(ToothTipRadial_2) ExprCache(ToothTipRadial_3) ExprCache(ToothTipRadial_4) ExprCache(ToothTipRadial_5) ExprCache(ToothTipRadial_6)
-20.00
ExprCache(ToothTipTangent_2) ExprCache(ToothTipTangent_3) ExprCache(ToothTipTangent_4) ExprCache(ToothTipTangent_5) ExprCache(ToothTipTangent_6)
» » » » » 电磁性能分析 电机驱动性能分析 结构分析 通风和散热分析 噪声分析
电机电磁振动噪声分析流程
电磁力计算
ANSYS Maxwell
时域内的集中力计算
频域内的实部力和虚部力
ANSYS Mechanical
谐响应分析
ANSYS Acoustics
声压分析
电机电磁分析
SAS IP, Inc.
Static Eccentricity
Foundation
Unbalanced Rotor
Audible Frequencies
20 Hz 60 Hz 261.63 Hz
Elliptical Rotor Surface
4.186kHz
5 kHz
20 kHz
ANSYS电磁、结构、噪声分析能力
• 电机振动和噪声的原因有很多. • ANSYS为电机的设计分析提供了非常优秀的工具 和功能:
谐响应分析
Frequency response at a selected node location of the model.
Helps determine that Max Amplitude (1.7mm) occurs at 8710 Hz on the selected vertex
噪声分析结果
-200.00
-250.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 Time [ms] 25.00 30.00 35.00 40.00
转子偏心模型
偏心模型电磁力的参数化分析
• 转子偏心幅度 0%, 25%, 50%
• 多核计算机上同时 求解
• 显示：右边齿尖上 的径向力 • 对径向力进行FFT分 析
注意: ACT Extension 只需要激活一次。
Maxwell的简单设置
Select Objects
Default Options Advanced Fourier Transform Options
瞬态力的波形
6 Teeth Forces 200Hz AC Currents
Maxwell与谐响应分析耦合的背后
电机电磁、振动、噪声多物理域 自动化耦合分析
Agenda
• 电机噪声综述
• 电机振动噪声分析流程
• 新的无缝集成的噪声自动化分析流程
• 总结
电机噪声介绍
Noise Sources
Magnetic
Radial
Self Auxiliaries Load Induced
Mechanical
Aerodynamic
Magnetic Domain
Mechanical Domain
交流磁场力的耦合
交流结构谐响应分析
定子背板表面的切向变形幅值和相位
交流结构谐响应分析
定子背板表面的径向力幅值和相位
作为噪声仿真的输入源
交流噪声分析
LSPL
2 2 2 prms preal pimag (dB) 10 log 2 10 log p 2 p2 ref ref
15.00
Torque
Basic_Inverter1
Curve Info
TR FEA1.TORQUE
ANSOFT
SAS IP, Inc.
20.00
Currents
Basic_Inverter1
Curve Info
TR TR RphaseA.I RphaseB.I RphaseC.I
ANSOFT
15.00
Maxwell中的力密度
Tangential Force on Tooth Tips
10.00
02_DC-6step_IPM
ANSOFT
5.00
0.00
Force (Newtons)
-5.00
-10.00
-15.00
Curve Info ExprCache(ToothTipTangent_Full1)
-25.00
-30.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 Time [ms] 25.00 30.00 35.00 40.00
Radial Force on Tooth Tips
50.00
02_DC-6step_IPM
ANSOFT
-0.00
-50.00
Force (Newtons)