电磁场有限元分析2解读
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mp,murx,2,1000 mp,mury,2,0! read B-H curve for material 2 mp,murz,2,1000
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）
西安交通大学 M&ISI School of ME Xi’an Jiaotong University 9/29/2018
ρ(RSVX) : 各向同性 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
西安交通大学 M&ISI School of ME Xi’an Jiaotong University 9/29/2018
b）激励
源电流密度（JS）：BFE, BFA 电压降（VLTG）： BFE, BFA
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
西安交通大学
结果显示： 1. 磁力线：等AZ线 2. 等高线 3. 向量图
M&ISI School of ME Xi’an Jiaotong University 9/29/2018
电磁力、力矩：
电参数： 线圈电阻 电感
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 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 on a circular path. TORQSUM ：summarizes electromagnetic Maxwell and Virtual work torque calculations on element components for 2-D planar problems.
r
(MURX)或B-H曲线, Hc (MGXX,MGYY)
No.5
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/PREP7 HC=3000 BR=4000
! Coercive force ! Residual induction
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No.17
3） 后处理 基本结果：
1. 节点电磁自由度 (AZ, CURR)
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No.10
西安交通大学 M&ISI School of ME Xi’an Jiaotong University 9/29/2018
6）运动导体 自由度：AZ 材料属性：μ r (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 涡流刹车系统 磁轴承
西安交通大学
低频电磁场有限元分析（ANSYS）
M&ISI School of ME Xi’an Jiaotong University 9/29/2018
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
THETA=30 ! Permanent magnet orientation *AFUN,DEG ! Angular parametric functions in degrees 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
5）电压激励多股线圈(PLANE53)
自由度：AZ，CURR 材料属性：μ r (MURX), ρ(RSVX) 实常数：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
No.9
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M re Vd
V
d
磁导率 运动速度 电阻率 沿运动方向特征长度
No.12
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1. 自由度：AZ 材料属性：μ
r
西安交通大学
(MURX),ρ(RSVX)
2）铁磁性物质
自由度：AZ 材料属性：μ
r
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(MURX)或B-H曲线,
3）永磁体
自由度：AZ 材料属性：μ
自由度 无 AZ AZ， AZ， 接触分析中对目标区域建模 接触分析中对接触区域建模 接触分析中对接触区域建模 接触分析中对接触区域建模
No.4
CONTA171 面-面接触 元，2节点 CONTA172 面-面接触 元，3节点 CONTA175 点-面接触 元，1节点
§ 3.2 分析区域类型
1）空气
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Fra Baidu bibliotek
PLANE13 4节点四边形 每节点最多4自由度：AZ，位移，温 3节点三角形 度，VOLT PLANE53 8节点四边形 每节点最多4自由度：AZ，电流， 6节点三角形 EMF，VOLT (2) 远场单元 单元类型 INFIN9 形状和特点 2节点线元 自由度 AZ，位移，温度，VOLT AZ，温度，电势
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.
No.18
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
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 4. JCG out-of-memory solver 5. Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) solver 6. Preconditioned Conjugate Gradient solver (PCG) 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
No.1
§3 2D 静态分析
西安交通大学
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
(1) 2D实体单元 单元类型 形状和特点 自由度
西安交通大学
! B-H curve for material 2 ! Shifted B-H curve ! First field defaults to "DEFI"
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! Plot of B vs. H
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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
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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 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
No.7
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No.8
西安交通大学
4）电流激励多股线圈
1. 自由度：AZ 材料属性：μ r 用 BFE命令施加单元电流密度JS
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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 可以用磁雷诺数来衡量（数量级1.0之内有较高精度）：
INFIN110 4节点或8节 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 每节点最多3自由度：电势，电流，EMF
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CIRCU124 最多6节点 (4) 接触单元 单元类型 TARGE169 形状和特点 目标线段
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 铜 M3钢 M54钢 SA1010钢 硅钢 特性 电阻率/温度曲线，ur B-H曲线 B-H曲线 B-H曲线 B-H曲线 材料属性文件名 emagCopper.SI_MPL emagM3.SI_MPL emagM54.SI_MPL emagSa1010.SI_MPL emagSilicon.SI_MPL
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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ρ(RSVX) : 各向同性 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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b）激励
源电流密度（JS）：BFE, BFA 电压降（VLTG）： BFE, BFA
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
西安交通大学
结果显示： 1. 磁力线：等AZ线 2. 等高线 3. 向量图
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电磁力、力矩：
电参数： 线圈电阻 电感
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 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 on a circular path. TORQSUM ：summarizes electromagnetic Maxwell and Virtual work torque calculations on element components for 2-D planar problems.
r
(MURX)或B-H曲线, Hc (MGXX,MGYY)
No.5
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/PREP7 HC=3000 BR=4000
! Coercive force ! Residual induction
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No.17
3） 后处理 基本结果：
1. 节点电磁自由度 (AZ, CURR)
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No.10
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6）运动导体 自由度：AZ 材料属性：μ r (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 涡流刹车系统 磁轴承
西安交通大学
低频电磁场有限元分析（ANSYS）
M&ISI School of ME Xi’an Jiaotong University 9/29/2018
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
THETA=30 ! Permanent magnet orientation *AFUN,DEG ! Angular parametric functions in degrees 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
5）电压激励多股线圈(PLANE53)
自由度：AZ，CURR 材料属性：μ r (MURX), ρ(RSVX) 实常数：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
No.9
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M re Vd
V
d
磁导率 运动速度 电阻率 沿运动方向特征长度
No.12
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1. 自由度：AZ 材料属性：μ
r
西安交通大学
(MURX),ρ(RSVX)
2）铁磁性物质
自由度：AZ 材料属性：μ
r
M&ISI School of ME Xi’an Jiaotong University 9/29/2018
(MURX)或B-H曲线,
3）永磁体
自由度：AZ 材料属性：μ
自由度 无 AZ AZ， AZ， 接触分析中对目标区域建模 接触分析中对接触区域建模 接触分析中对接触区域建模 接触分析中对接触区域建模
No.4
CONTA171 面-面接触 元，2节点 CONTA172 面-面接触 元，3节点 CONTA175 点-面接触 元，1节点
§ 3.2 分析区域类型
1）空气
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Fra Baidu bibliotek
PLANE13 4节点四边形 每节点最多4自由度：AZ，位移，温 3节点三角形 度，VOLT PLANE53 8节点四边形 每节点最多4自由度：AZ，电流， 6节点三角形 EMF，VOLT (2) 远场单元 单元类型 INFIN9 形状和特点 2节点线元 自由度 AZ，位移，温度，VOLT AZ，温度，电势
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.
No.18
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
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 4. JCG out-of-memory solver 5. Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) solver 6. Preconditioned Conjugate Gradient solver (PCG) 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
No.1
§3 2D 静态分析
西安交通大学
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
M&ISI School of ME Xi’an Jiaotong University 9/29/2018
No.2
§ 3.1 所用单元
(1) 2D实体单元 单元类型 形状和特点 自由度
西安交通大学
! B-H curve for material 2 ! Shifted B-H curve ! First field defaults to "DEFI"
M&ISI School of ME Xi’an Jiaotong University 9/29/2018
! Plot of B vs. H
西安交通大学 M&ISI School of ME Xi’an Jiaotong University 9/29/2018
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
西安交通大学 M&ISI School of ME Xi’an Jiaotong University 9/29/2018
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 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
No.7
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No.8
西安交通大学
4）电流激励多股线圈
1. 自由度：AZ 材料属性：μ r 用 BFE命令施加单元电流密度JS
M&ISI School of ME Xi’an Jiaotong University 9/29/2018
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 可以用磁雷诺数来衡量（数量级1.0之内有较高精度）：
INFIN110 4节点或8节 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 每节点最多3自由度：电势，电流，EMF
西安交通大学 M&ISI School of ME Xi’an Jiaotong University 9/29/2018
CIRCU124 最多6节点 (4) 接触单元 单元类型 TARGE169 形状和特点 目标线段
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 铜 M3钢 M54钢 SA1010钢 硅钢 特性 电阻率/温度曲线，ur B-H曲线 B-H曲线 B-H曲线 B-H曲线 材料属性文件名 emagCopper.SI_MPL emagM3.SI_MPL emagM54.SI_MPL emagSa1010.SI_MPL emagSilicon.SI_MPL