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电磁场基础知识第三章电磁场基础知识第三章-第1页，本讲稿共83页10 电阻器电阻器50 mH 电感器2 f 电容器电容器 24 伏电压源电路单元应用电路单元应用问题描述问题描述电路由如下组成电路由如下组成:10 电阻电阻 50 mH 电感器电感器 2f 电容器电容器电压源电压源24 伏（峰值）伏（峰值）1000 Hz 频率频率分析顺序分析顺序建模建模进行模拟进行模拟后处理后处理电流电流功率功率2第2页，本讲稿共83页Circ124 单元类型单元类型除了指定界面单元外，它不是有限元范畴的一部除了指定界面单元外，它不是有限元范畴的一部分分线单元线单元并不象并不象Plane53 或或Plane13要分网格要分网格具有模拟不同电路单元的多种性能具有模拟不同电路单元的多种性能电阻器，电感器，电容器电阻器，电感器，电容器不同类型的电流源不同类型的电流源不同类型的电压源不同类型的电压源互感器单元互感器单元广泛帮助广泛帮助从Help 查询到Circ124 单元类型(典型例）3第3页，本讲稿共83页用用 实用命令菜单中的命令清除数据库中的数据实用命令菜单中的命令清除数据库中的数据Utilityfileclear and start new如下菜单生成电路单元如下菜单生成电路单元Preproccreatecircuit在生成任何电路单元前，需要调整工作平面在生成任何电路单元前，需要调整工作平面 Preproccreatecircuitcenter WP首先建立独立电压源首先建立独立电压源(IVS)4第4页，本讲稿共83页建立建立 IVS Circuitindependent vltg sourceDC/AC harmonic鼠标变成鼠标变成“橡皮筋橡皮筋”状态，自由定位电路单元的位置状态，自由定位电路单元的位置在图形窗口中，必须用鼠标选取三个位置在图形窗口中，必须用鼠标选取三个位置单元的起始节点单元的起始节点单元的终止节点单元的终止节点两个节点左边或右边的偏置量两个节点左边或右边的偏置量IVS（独立电压源）（独立电压源）5第5页，本讲稿共83页鼠标点取的第一位置，为单元的 I 节点鼠标点取的第二位置，为单元的 J 节点鼠标点取的第三位置，以确定单元的定位6第6页，本讲稿共83页一旦鼠标点取完三个位置，程序弹出一个对话框以输入 IVS的参数V4识别号电压幅值(峰值)，不是均方根值相位角(度)选择 OK7第7页，本讲稿共83页建电阻器建电阻器.Circuitresistor当选择第二个位置时，双击鼠标，使其同时也成为第当选择第二个位置时，双击鼠标，使其同时也成为第三个位置三个位置这并不必须完全点取在同一个位置，电路建模器会自这并不必须完全点取在同一个位置，电路建模器会自动捕捉到已存在的节点动捕捉到已存在的节点鼠标点取的第一点鼠标点取的第二点识别号电阻值电阻值 选择 OK8第8页，本讲稿共83页建电感器建电感器.Circuitinductor当选择第二个位置时，双击鼠标，使其同时也成当选择第二个位置时，双击鼠标，使其同时也成为第三个位置为第三个位置这并不必须完全点取在同一个位置，电路建这并不必须完全点取在同一个位置，电路建模器会自动捕捉到已存在的节点模器会自动捕捉到已存在的节点鼠标点取的第一点鼠标点取的第二点识别号电感值(H)选择 OK9第9页，本讲稿共83页建电容器建电容器.Circuitcapacitor当选择第二个位置时，双击鼠标，使其同时当选择第二个位置时，双击鼠标，使其同时也成为第三个位置也成为第三个位置这并不必须完全点取在同一个位置，电路建模这并不必须完全点取在同一个位置，电路建模器会自动捕捉到已存在的节点器会自动捕捉到已存在的节点鼠标点取的第一点鼠标点取的第二点识别号电容值(farads)选择 OK10第10页，本讲稿共83页到这里，建模就完成了到这里，建模就完成了电路单元的每一个闭合回路要求约束电压（电路单元的每一个闭合回路要求约束电压（VOLT）自由度（接地）自由度（接地）Preprocloadsapplyboundary-voltage-on nodes选取回路中的任何一个节点选取回路中的任何一个节点选择 OK11第11页，本讲稿共83页执行求解执行求解Solunew analysis Harmonic设置激励频率设置激励频率Solutime/frequencfreq and substps选择 OKSolucurrent LS选择 OK12第12页，本讲稿共83页为获取电路单元结果，可列表显示单元解为获取电路单元结果，可列表显示单元解缺省状态下的激活结果为虚数解缺省状态下的激活结果为虚数解Postproclist resultselement solution选择 OK13第13页，本讲稿共83页虚数分量求解结果14第14页，本讲稿共83页为获取电路单元结果，可列表显示单元解为获取电路单元结果，可列表显示单元解必须读入实数解必须读入实数解Postproc-read results-by load step选择选择 REAL选择选择 OKPostproclist resultselement solution15第15页，本讲稿共83页实数分量求解结果16第16页，本讲稿共83页2D 变压器应用实例变压器应用实例问题描述问题描述变压器初极构成如下变压器初极构成如下:2 直流电阻直流电阻 1080 匝匝变压器次极构成如下变压器次极构成如下:.02 直流电阻直流电阻 108匝匝电压源电压源60 伏特峰值伏特峰值60 Hz 频率频率线圈在线圈在 75 C叠层长度叠层长度:70 mm初极次极磁路空气隙不同颜色表示不同材料17第17页，本讲稿共83页分析过程分析过程利用对称性利用对称性模拟次极短路情况模拟次极短路情况建立电路模型建立电路模型实常数设置实常数设置耦合耦合进行交流分析进行交流分析后处理后处理电流电流功率功率18第18页，本讲稿共83页物理区域描述物理区域描述铁区铁区导磁导磁叠片铁芯，无须考虑集肤效应叠片铁芯，无须考虑集肤效应线圈区线圈区绞线圈绞线圈(无集肤效应无集肤效应)导电率随温度的增加而增加导电率随温度的增加而增加初极初极由独立电压源（由独立电压源（IVS）驱动）驱动次极次极短路短路全部边线通量平行19第19页，本讲稿共83页材料性质材料性质 铁铁r=10,000:Not input线圈线圈r=1=2E-7空气空气r=1空气铁次极线圈初极线圈20第20页，本讲稿共83页用用 in_tran宏建立变压器对称的一宏建立变压器对称的一半模型半模型在命令行输入：在命令行输入：in_tran变压器模型铁芯叠片:材料 2空气隙初极次极21第21页，本讲稿共83页模型数据模型数据组件组件 初极线圈初极线圈p-side(单元单元+节点节点)次极线圈次极线圈s-side(单元单元+节点节点)单元类型单元类型 2 用于两个线圈区域用于两个线圈区域两个线圈的横截面积相同，并用参两个线圈的横截面积相同，并用参数数 ACOND定义定义单元类型 222第22页，本讲稿共83页电路单元条件电路单元条件初极初极由一个独立电压源由一个独立电压源(IVS)单单元提供激励载荷元提供激励载荷用一个绞线圈将独立电压源用一个绞线圈将独立电压源(IVS)连接到有限元区域上连接到有限元区域上 次极次极用一个小电阻模拟短路条件用一个小电阻模拟短路条件用一个绞线圈将电阻连接到有限用一个绞线圈将电阻连接到有限元区域上元区域上要求在单元类型选项中激活这些自由度23第23页，本讲稿共83页线圈区域单元类型的自由度选项必须激活线圈区域单元类型的自由度选项必须激活Preprocelement type-add/edit/deleteOPTIONS选择 OK线圈单元类型号要求选取这些自由度24第24页，本讲稿共83页每个线圈必须输入实常数数据，使之符合于指定的直流电阻值每个线圈必须输入实常数数据，使之符合于指定的直流电阻值次边(s-边)实常数设置号2原边(p-边)实常数为125第25页，本讲稿共83页对于平面模型，绞线圈实常数数据组成如对于平面模型，绞线圈实常数数据组成如下下区域截面积区域截面积(CARE)=线圈单元的总面线圈单元的总面积（可用面积求和）积（可用面积求和）匝数匝数(TURN)长度长度:必须为折合长度必须为折合长度(LENG)电流正方向（电流正方向（“进进”或或“出出”平面方向）平面方向）（RIRZ）线圈填充系数线圈填充系数(FILL)（随后计算）（随后计算）线圈单元图26第26页，本讲稿共83页如果用两个截面来模拟线圈，则线圈电阻应分配到两个截面上如果用两个截面来模拟线圈，则线圈电阻应分配到两个截面上如果只有一个截面模拟整个线圈电阻，那么这个截面必须相应于线圈如果只有一个截面模拟整个线圈电阻，那么这个截面必须相应于线圈电阻（例题所示）电阻（例题所示）平面截面线圈填充系数表达式为：平面截面线圈填充系数表达式为：A RcoilCf=N2L式中式中 N=线圈匝数线圈匝数 =电阻率电阻率(-M)L=折合长度折合长度(M)(折合长度折合长度L可能需作适当调整，以计及终端绕组的影响）可能需作适当调整，以计及终端绕组的影响）A=线圈区域单元面积线圈区域单元面积(m2)Rcoil=单个线圈电阻单个线圈电阻()27第27页，本讲稿共83页对于初极线圈对于初极线圈N =1080 L =.07 m =.2E-7 -m Rcoil=2 A=ACOND=.00125 m2 Cf=.07258 (对应于一个线槽内的整个线圈对应于一个线槽内的整个线圈)对于次极线圈对于次极线圈N =108 L =.07 m =.2E-7 -m Rcoil=.02 A=ACOND=.00125 m2 Cf=.653184 (对应于一个线槽内的整个线圈对应于一个线槽内的整个线圈)28第28页，本讲稿共83页这些值输入到每个线圈的实常数组中这些值输入到每个线圈的实常数组中初极线圈，实常数组设置为初极线圈，实常数组设置为1 Preprocreal constants选择 EDIT对应于初极线圈对应于初极线圈选择 OK29第29页，本讲稿共83页在实常数在实常数1中，输入初极线圈数据中，输入初极线圈数据线圈区单元类型号选择 APPLY(输入次极线圈数据)30第30页，本讲稿共83页在实常数组在实常数组2中输入次极线圈数据中输入次极线圈数据 选择 OK 31第31页，本讲稿共83页建电路单元建电路单元工作平面处于屏幕中心工作平面处于屏幕中心Preproccreatecircuitcenter WP建初极独立电压源建初极独立电压源IVS .Circuitindp vltg srcAC/DC harmonic变压器有限元区首先，鼠标选取起始节点其次，鼠标选取终止节点最后，鼠标点取电路单元的偏置位置32第32页，本讲稿共83页峰值（电压）相位角（度）电路单元标志号选择 OK注:完成此窗口后，才显示实际电路单元第三个位置选取后输入:33第33页，本讲稿共83页建立绞线圈单元建立绞线圈单元(SCE)，将，将plane53单元构成的线圈截面与独立电压源（单元构成的线圈截面与独立电压源（IVS）相）相连接连接 .Circuitstrnd coil -首先，鼠标选取SCE连接到IVS的一端第二，鼠标选取SCE 连接到IVS的另一端第三，用鼠标选取SCE 的偏置位置最后的鼠标点取将SCE连接到有限元区的横截面上，该单元必须为初极的有限元单元建初极线圈建初极线圈 34第34页，本讲稿共83页绞线圈单元的附加信息绞线圈单元的附加信息标志各个SCE允许SCE改变已定义好的实常数值选择 OK35第35页，本讲稿共83页建电阻（建电阻（1E-8欧姆），模拟短路欧姆），模拟短路.Circuitresistor鼠标第一次选取鼠标第二次选取鼠标第三次选取电阻器识别号和电阻值选择 OK建次极电路建次极电路36第36页，本讲稿共83页建建SCE，将次极电路与电阻器，将次极电路与电阻器(RES)相连接相连接鼠标第一次选取将SCE 连接到RES鼠标第二次选取鼠标第三次选取最后的鼠标点取将SCE 连接到次极单元采用与前面定义过的绞线圈相同的数据选择 OK用户线路设备标识图37第37页，本讲稿共83页每个独立回路必须约束每个独立回路必须约束VOLT 自由度自由度Preprocloadsapply-electric-boundary-voltage-on nodes每个独立回路选一个节点每个独立回路选一个节点选择选择OK窗口输入窗口输入“0”选择选择OK38第38页，本讲稿共83页选择 APPLY线圈区要求耦合CURR和EMF自由度以使电流守恒，以及使绕组电流均匀分布初极利用P-SIDE组件选取初极单元节点在初极生成两组耦合Preproccoupling/ceqncouple DOF选择 Pick ALL 39第39页，本讲稿共83页在选取框内选择在选取框内选择Pick ALL（由于由于前面选了（由于由于前面选了APPLY）选择 OK设置号必须不相同选择 OK初极耦合40第40页，本讲稿共83页对初极必须生成相同类型的耦合组对初极必须生成相同类型的耦合组利用组件利用组件S-SIDE选择次极节点选择次极节点对次极生成两组耦合 Preproccoupling/ceqncouple DOF选择 Pick ALL选择 APPLY设置号必须唯一41第41页，本讲稿共83页在选取框内选择在选取框内选择Pick ALL（由于前面选了（由于前面选了APPLY）设置号唯一次极耦合选择OK42第42页，本讲稿共83页铁芯外边加通量平行边界条件铁芯外边加通量平行边界条件Preprocloadsapplyboundaryflux parl on lines选择选择OK注：线段颜色变亮43第43页，本讲稿共83页进行模拟，进入求解器进行模拟，进入求解器Solunew analysis HARMONIC设置模拟频率设置模拟频率Solutime/frequencfreq&substps选择 OK44第44页，本讲稿共83页激活整个模型激活整个模型Utilityselecteverything开始求解开始求解SoluCurrent LS确认模型为二维电路附加自由度选择 OK45第45页，本讲稿共83页 读入结果，图形显示两种结果Postprocby load step REAL实数解Postprocby load IMAGINARY虚数解46第46页，本讲稿共83页确认线圈的直流电阻确认线圈的直流电阻选择线圈区域（材料选择线圈区域（材料3）定义单元表选项定义单元表选项(ERES)求电阻求电阻Postprocelement tabledefine table ADD从Help查询PLANE53单元47第47页，本讲稿共83页生成生成ERES求和求和只选初极线圈单元：只选初极线圈单元：p-side组件组件对全部激活单元的对全部激活单元的ERES求和求和Postprocelement tablesum of each item选择选择OK只选择次极线圈单元：s-side组件对全部激活单元的ERES求和Postprocelement tablesum of each item选择 OK48第48页，本讲稿共83页电路单元结果包括电路单元结果包括:线圈电流线圈电流功率功率选择电路单元选择电路单元Postproclist resultselement solution 选择 OK为了得到实数解结果，首先重新读入实数解载荷步，重复上述列表（List）操作49第49页，本讲稿共83页功率(W)电流(A)50第50页，本讲稿共83页采用次极的短路结果，计算初极阻抗采用次极的短路结果，计算初极阻抗 Zeq=Vp/Isc式中式中 Vp =60 Isc =+.809+j-3.39 (A)Zeq =4.00+j16.75 51第51页，本讲稿共83页瞬态分析瞬态分析瞬态分析是时变分析的一种通用方式瞬态分析是时变分析的一种通用方式 非正弦输入非正弦输入脉冲宽度调制脉冲宽度调制测试数据信号轨迹测试数据信号轨迹跃变电压跃变电压电容放电电容放电交流分析不建议采用饱和材料交流分析不建议采用饱和材料需要精确的信号输出需要精确的信号输出模型内包含永磁体模型内包含永磁体在由磁体构成的致动器上加载跃变电压在由磁体构成的致动器上加载跃变电压52第52页，本讲稿共83页对物理区域的考虑与交流分析中的要求相同对物理区域的考虑与交流分析中的要求相同电压与线圈输入励磁电压与线圈输入励磁载压线圈的附加数据载压线圈的附加数据面积、匝数、填充系数（轴对称）面积、匝数、填充系数（轴对称）面积、匝数、方向、长度、填充系数（平面）面积、匝数、方向、长度、填充系数（平面）电阻率电阻率RSVX(-m)绞线圈与块导体绞线圈与块导体块导体的自由度耦合块导体的自由度耦合块导体的电阻率块导体的电阻率RSVX终端条件终端条件短路与开路短路与开路集肤区域的网格细化集肤区域的网格细化53第53页，本讲稿共83页致动器致动器采用跃变电压采用跃变电压利用前面演示章节中用到的交流致动器利用前面演示章节中用到的交流致动器跃变电压条件跃变电压条件涡流效应涡流效应用自动时间步作瞬态模拟用自动时间步作瞬态模拟数据贮存控制，有效地控制资源利用数据贮存控制，有效地控制资源利用每个时间步后处理每个时间步后处理单自由度值（线圈电流）单自由度值（线圈电流）单元数据求和单元数据求和力力功率（圆环）功率（圆环）衔铁圆环线圈54第54页，本讲稿共83页物理区域物理区域圆环圆环自由空间磁导率自由空间磁导率电阻率电阻率=.171E-7 -m电压供电线圈电压供电线圈12 直流电阻直流电阻400 匝匝衔铁和定子衔铁和定子高电阻（无涡流）高电阻（无涡流）导磁率导磁率使用使用BH磁化曲线磁化曲线圆环线圈衔铁定子H(A/m)B(T)55第55页，本讲稿共83页励磁励磁线圈加线圈加24伏跃变电压伏跃变电压时间（S）电压(V)24圆环线圈衔铁56第56页，本讲稿共83页利用利用trsolen宏命令生成模型、单元、实常数宏命令生成模型、单元、实常数组、材料组、材料命令窗口输入命令窗口输入trsolen建模建模 圆环线圈衔铁57第57页，本讲稿共83页定义组件定义组件COIL(线圈单元线圈单元)ARMATURE(衔铁衔铁)RING(圆环圆环)线圈区域包括线圈区域包括电流自由度（电流自由度（CURR）实常数实常数(4)、400匝、匝、24 电阻率电阻率RSVX为为0.171E-7-m 环线圈衔铁58第58页，本讲稿共83页完成边界条件设置完成边界条件设置施加衔铁力标志施加衔铁力标志 Soluapplyflagcomp.force ARMATURE模型边界平行边界条件模型边界平行边界条件 Soluapplyboundary-flux parl-on lines线圈区域加线圈区域加24伏电压伏电压 Soluapplyexcitation-voltage drop-on areas (24伏电压加到线圈区伏电压加到线圈区)载压线圈的电流耦合59第59页，本讲稿共83页定义瞬态分析定义瞬态分析Solunew analysis TRANSIENT选择选择 OK定义将结果写入结果文件的频度定义将结果写入结果文件的频度Soluoutput ctrlsDB/results file控制将结果写入结果文件的频度，控制将结果写入结果文件的频度，“2”表示每隔一个时间子步写入表示每隔一个时间子步写入一次结果文件一次结果文件选择 OK60第60页，本讲稿共83页定义载荷步时间和时间步长（子步长）定义载荷步时间和时间步长（子步长）Solutime/frequenctime and substps建议：利用前面分析中的L计算L/R 时间常数，并放大5倍起始时间步长为.01/40在第一时间步就施加激励61第61页，本讲稿共83页允许程序自动确定时间步长定义允许的最小时间步长，时间步长由场的变化速度来控制定义允许的最大的时间步长。根据用户在后处理中绘图或列表时，要求观察多少个中间结果而定设为设为“yes”表示允许在瞬态分表示允许在瞬态分析中使用前一时间步的时间析中使用前一时间步的时间步长步开始进行下一载荷步步长步开始进行下一载荷步的分析的分析选择 OK完成时间和时间步长的数据输入 62第62页，本讲稿共83页开始分析开始分析激活整个模型激活整个模型Solucurrent LS确认分析类型已改变确认使用了电压供电线圈选项63第63页，本讲稿共83页确认时间和时间步控制的输入数据证实结果存储的频度，缺省只保存每个时间步最后子步的结果64第64页，本讲稿共83页选择 OK由于铁芯区使用了BH 曲线（非线性），在求解过程中会显示收敛范数求解时间（秒）在不断修正的65第65页，本讲稿共83页对整个分析过程的线圈电流进行后处理对整个分析过程的线圈电流进行后处理Time Histdefine variables ADD线圈节点的CURR自由度可以显示线圈电流的时间历程选择 OK用于结构分析66第66页，本讲稿共83页在线圈区选择一个节点在线圈区选择一个节点这是在线圈区选择的节点的节点号（自动输入）线圈电流自由度参考号 1选择 OK该名字将显示在图形窗口中，应其他变量名区分开来67第67页，本讲稿共83页当前所定义变量的概总信息当前所定义变量的概总信息选择 CLOSE68第68页，本讲稿共83页图示线圈电流图示线圈电流选择 OK可选择输入其他变量（采用相同标度）上述定义的参考号69第69页，本讲稿共83页列出最大列出最大/最小值最小值Thpostlist extremes选择选择OK (缺省情况下，列出全部变量缺省情况下，列出全部变量)线圈电流的时间历程列表显示（随时间变化值）（根据所贮存的结果数据）Thpostlist variables选择 OK70第70页，本讲稿共83页在每个时间步需要进行单元求和的项目，必须使用Elec&mag中的选项Time Histelec&magmagnetics概述文件和图形文件名衔铁磁力(牛)环功率损失（瓦）71第71页，本讲稿共83页当显示概述文件时，操作即告完成当显示概述文件时，操作即告完成72第72页，本讲稿共83页trsol.plt图形文件可利用图形文件可利用ANSYS中的中的DISPLAY实用程序观察（从实用程序观察（从ANSYS启动启动界面进入）界面进入）1)打开图形文件打开图形文件trsol.pltfileopen graphics file trsol.plt2)按按“Plot next”73第73页，本讲稿共83页trsol.plt文件中还贮存有其他图形文件中还贮存有其他图形10-1圆环功率（瓦）74第74页，本讲稿共83页可针对分析过的某个特定时间点对整个模型进行后处理可针对分析过的某个特定时间点对整个模型进行后处理通过列表显示结果文件中的数据，可确定有哪些结果可处理通过列表显示结果文件中的数据，可确定有哪些结果可处理Postprocresults summary75第75页，本讲稿共83页读入结果有多种方法读入结果有多种方法 1)利用载荷步和子载荷步利用载荷步和子载荷步 例例:载荷步载荷步1、子步、子步10相应于时间相应于时间=.0045 时的结果时的结果 Postprocby load step选择 OK显示BSUM76第76页，本讲稿共83页 2)利用结果集号（利用结果集号（set号）号）例:载荷步1、set 5读取.0045 秒的结果 77第77页，本讲稿共83页3)如果要读入规定时刻的结果，后处理器自动在两个与所定义时间最接近的结如果要读入规定时刻的结果，后处理器自动在两个与所定义时间最接近的结果集之间插值，例如，果集之间插值，例如，.005 秒处的结果将用第秒处的结果将用第5和和6结果集插值得到结果集插值得到 Postproc time/freq这选择了插值，另一种选择是读入与所定义时间最接近的结果选择 OK78第78页，本讲稿共83页后处理图形中标明了与该结果相对应的时间后处理图形中标明了与该结果相对应的时间79第79页，本讲稿共83页利用利用PlotCtrls中的选项，可用动画模拟分析结果中的选项，可用动画模拟分析结果选择模型中感兴趣的部分，调整图形使动画效果最好选择模型中感兴趣的部分，调整图形使动画效果最好Utilityplot ctrlsanimateover time使用最大/最小值选择 OK80第80页，本讲稿共83页允许动画自动重复播放 选择 Editoptions起动动画81第81页，本讲稿共83页执行动画文件:trsolen.avi观看动画按如下方式保存动画文件 Utilityanimationsave animation82第82页，本讲稿共83页如果还没有退出求解器，就可以对后续载荷步加载和求解如果还没有退出求解器，就可以对后续载荷步加载和求解如果已退出求解器，可再进入求解器，利用重分析（如果已退出求解器，可再进入求解器，利用重分析（restart）选项继续）选项继续分析分析Solurestart在继续分析之前，应按需要变更模型或改变边界条件在继续分析之前，应按需要变更模型或改变边界条件修改激励（改变电压值或删除）、改变材料性质（改变修改激励（改变电压值或删除）、改变材料性质（改变BH数据或数据或RSVX、MURX等）等）改变实常数设置数据（线圈数据或独立电压源的电压）改变实常数设置数据（线圈数据或独立电压源的电压）83第83页，本讲稿共83页