ANSYS电磁场分析指南第十六章

ANSYS电磁场分析指南第十六章

发表时间：2007-9-20 作者: 安世亚太来源: e-works

关键字: ANSYS 电磁场分析 CAE教程

第十六章电路分析

16.1 什么是电路分析

电路分析可以计算源电压和源电流在电路中引起的电压和电流分布。分析方法由源的类型来决定：源的类型分析方法

交流（AC）谐波分析

直流（DC）静态分析

随时间变化瞬态分析

要在电磁学分析中用有限元来模拟全部电势，就必须提供足够的灵活性来模拟载流电磁设备。ANSYS 程序对于电路分析有如下性能：

·用经过改进的基于节点的分析方法来模拟电路分析

·可以将电路与绕线圈和块状导体直接耦合

·2-D和3-D模型都可以进行耦合分析

·支持直流、交流和时间瞬态模拟

ANSYS程序中先进的电路耦合模拟功能精确地模拟多种电子设备，：

·螺线管线圈

·变压器

·交流机械

16.2 使用CIRCU124单元

ANSYS提供一种通用电路单元CIRCU124对线性电路进行模拟，该单元求解未知的节点电压（在有些情况下为电流）。电路由各种部件组成，如电阻、电感、互感、电容、独立电压源和电流源、受控电压源和电流源等，这些元件都可以用CIRCU124单元来模拟。

注：本章只描述CIRCU124单元的某些最重要的特性，对该单元的详细描述参见《ANSYS单元手册》。

16.2.1 可用CIRCU124单元模拟的电路元件

对CIRCU124单元通过设置KEYOPT（1）来确定该单元模拟的电路元件，如下表所示。例如，把KEYOPT（1）设置为2，就可用CIRCU124来模拟电容。对所有的电路元件，正向电流都是从节点I流向节点J。

注意：全部的电路选项如上表和下图图1所示，ANSYS的电路建模程序自动生成下列实常数：R15（图形偏置，GOFFST）和R16（单元识别号，ID）。本章下一节将详细讨论电路建模程序。

下图显示了利用不同的KEYOPT（1）设置建立的不同电路元件，那些靠近元件标志的节点是“浮动”节点（即

它们并不直接连接到电路中）。

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16.2.2 CIRCU124单元的载荷类型

对于独立电流源和独立电压源可用CIRCU124单元KEYOPT（2）选项来设置激励形式，可以定义电流或电压的正弦、脉冲、指数或分段线性激励。详细的载荷函数图和相应的实常数请参见《ANSYS单元手册》。

16.2.3 将FEA（有限元）区耦合到电路区

可将电路分析的三种元件耦合到FEA区，图2所示的这三种元件直接连接到有限元模型的导体上（耦合是

在矩阵中进行耦合的，因此只能为线性的）：

在绞线圈连接中不能存在涡流，磁矢势（MVP）和电流决定线圈电压，连接的电路方程为：

上述方程中，R c为线圈电阻，n c为匝数，S c为线圈横截面积

在块导体连接中可以考虑集肤效应，导体中的MVP和电压决定总电流，连接的电路方程为：

上述方程中，L C是导体长度，ΔV是电压降。

ANSYS程序通过电路元件和FEA导体单元上两个附加的自由度来达到耦合的目的，这些自由度特性如下：

·CURR—流过电路和模型导体的电流

·EMF—模型导体（2D绞线圈、2D块导体和3D线圈导体）的电压降

·VOLT—3D块状导体内的电位

16.3 使用CIRCU125单元

可以用CIRCU125单元为通用二极管和齐纳二极管建模。使用此单元时，请注意：

·在二极管任何状态下，其I-U曲线的分段线性特性对应于一个Norton 等效电路，这个等效电路有一个动态阻抗(在工作点反向倾斜)和一个电流源（在I-U曲线的切线和I轴相交）。

·如果电压降比二极管（通常是理想二极管）的导通电压低很多，则在提取由单元misc记录号提供的单元电压降、电流、焦耳热损耗计算数据时会提示有取消错误。

要获得更准确的结果，需要通过提取单元的反力来获得单元电流，并根据二极管状态和I-U曲线重新计算电压。

·可以在后处理器中画二极管的能量和状态图

·若AUTOTS打开，则按照标准的ANSYS自动时间步长功能来确定求解时间步长。程序根据动态系统的特征值来估计时间步长。当状态变化方向是按照预期估计的方向进行，则单元会发出调小时间步的信号，与接触单元间隙闭合类似。

·CIRCU125单元是高度非线性单元。要获得收敛结果，通常需要定义收敛标准，而不是仅用缺省值。用CNVTOL,VOLT,,0.001,2,1.0E-6来改变收敛标准。

16.4 使用电路建模程序

对于所有电路分析，首先需要用CIRCU124, CIRCU125, TRANS126, COMBIN14, COMBIN39,和MASS21单元来建立电路模型。建立电路模型的首选是使用ANSYS的电路建模程序，这是一个通过ANSYS图形用户界面（GUI）提供交互式处理的专用模块，它可以完成如下功能：

·可以用鼠标来选择电路元件并把它们放置在电路中所要求的位置

·交互式建立电路模型

·给电路元件赋予“实”常数并进行编辑

·给独立源赋予激励

·以图形的方式验证所加激励

·以交互的方式来和FEA区进行连接

·可对电压源和电流源元件定义源载荷

电路建模程序可生成单元类型、实常数、定义节点和单元。支持多种单元类型。和使用其他GUI特性一样，电路建模程序把用于建立电路模型的全部命令都写入记录文件（LOG文件）。

GUI提供专用的“wire element”选项。可以方便的用“wire”连接各个电路。Wire表示连接两点间的一小段短电路（导电率无穷大）。MESH200单元只用来进行可视化的表示。Wire两端的节点要进行电压耦合（CP命令），如果两段或更多段Wire连接在一起，则所有的节点都要进行电压耦合。删除其中的一段，则所有连接在一起的Wire单元、节点耦合集以及所有没有与非“Wire”单元连接的节点都要被自动强行删除。

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16.4.1 建立电路

为了建立电路，应激活ANSYS 的GUI和使用下面描述的步骤。在此也给出有关电路建模的补充提示：•电路图标都是固定尺寸，通过电路建模程序的“Center WP”选项可以设置图形的焦点和距离（Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Circuit>Center WP）。