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电磁场基础知识第二章电磁场基础知识第二章-本讲稿第一页，共三十三页耦合和约束方程耦合和约束方程应用应用问题描述问题描述平面磁性离合器平面磁性离合器六极装置六极装置平行磁化平行磁化分析目的分析目的利用奇对称周期性条件来模拟利用奇对称周期性条件来模拟1/6模型模型计算图示状态的力矩计算图示状态的力矩定子定子磁性离合器磁性离合器转子转子2本讲稿第二页，共三十三页性质性质定子和转子磁体定子和转子磁体:Hc=750,000 A/m Br=.9896 (r=1.05)定子和转子磁体定子和转子磁体SA1010转子磁化方向转子磁化方向 (水平方向反时针水平方向反时针30度）度）定子磁化方向：水平定子磁化方向：水平模型参数模型参数 半径单位半径单位(R):英寸英寸励磁励磁:无无磁离合器磁离合器1/12模型模型转子铁，材转子铁，材料料 2转子磁体，转子磁体，材料材料 3定子磁体，定子磁体，材料材料 6定子铁，材定子铁，材料料 5(上面只显示了一半模型上面只显示了一半模型)3本讲稿第三页，共三十三页利用利用clutch.mac宏命令建模宏命令建模实体模型和单元（国际单位制）实体模型和单元（国际单位制）SA1010系列铁系列铁将定子磁体单元和铁单元定义为一个部件将定子磁体单元和铁单元定义为一个部件S_IRON 每个转子磁体各有一个单元坐标系每个转子磁体各有一个单元坐标系材料号材料号该磁体单元的该磁体单元的X方向为方向为11号局号局部坐标系的部坐标系的X方向方向该磁体单元的该磁体单元的X 方向为方向为12号局号局部坐标系的部坐标系的X方向方向4本讲稿第四页，共三十三页对材料对材料2和和3定义为各向同性磁体性质定义为各向同性磁体性质Preproc.material propsisotropic重复这些步骤，定义定子磁体材料重复这些步骤，定义定子磁体材料3选择选择 OK选择选择OK5本讲稿第五页，共三十三页为转子磁体平行磁化方向定义为转子磁体平行磁化方向定义11号局部坐标系号局部坐标系水平方向反时针水平方向反时针30度（总体坐标度（总体坐标+X 轴）轴）局部坐标系原点与总体坐标系一致局部坐标系原点与总体坐标系一致Utilityworkplanelocal coord.systemscreate local CSat specified location回车（键盘）回车（键盘）在选择框选取在选择框选取OK6本讲稿第六页，共三十三页11号局部坐标系的号局部坐标系的X轴与总体坐轴与总体坐标系标系X轴的夹角轴的夹角选取选取OK7本讲稿第七页，共三十三页采用与前面相同的方法为下面转子磁体建立采用与前面相同的方法为下面转子磁体建立12号局部坐标系号局部坐标系下面转子磁体是下面转子磁体是-30,但方向相反但方向相反(180)选择选择OK0-30+1808本讲稿第八页，共三十三页为了观察单元坐标系的变化，要激活单元坐标系标记为了观察单元坐标系的变化，要激活单元坐标系标记 Utilityplot cntrlssymbols选择选择 OK“白白”“绿绿”坐标轴分别相应坐标轴分别相应于单元轴的于单元轴的X、Y方向方向9本讲稿第九页，共三十三页给定子外半径加上通量平行条件给定子外半径加上通量平行条件Preprocloadsapplyboundary-flux par lon lines(选择定子铁体外半径上弧线选择定子铁体外半径上弧线)通过强迫内半径上节点的通过强迫内半径上节点的MVP保持常数，在转子铁体内半径上施加通量平行边保持常数，在转子铁体内半径上施加通量平行边界条件界条件选择转子内半径上节点选择转子内半径上节点对内半径上节点进行耦合对内半径上节点进行耦合Preproccouple DOFs （在选择框选择（在选择框选择pick ALL)选择选择OK10本讲稿第十页，共三十三页激活总体坐标系激活总体坐标系Utilityworkplanechange active CSglobal CS识别模型内外半径位置识别模型内外半径位置关键点关键点 9:模型内半径上模型内半径上关键点关键点19:模型外模型外 半径上半径上11本讲稿第十一页，共三十三页周期性边界条件必须施加到离合器两侧周期性边界条件必须施加到离合器两侧Preprocloadsboundary periodic BCs选择选择OK用关键点函数功能用关键点函数功能得到内外半径的值得到内外半径的值选择选择OK模型另一侧边的模型另一侧边的位置位置12本讲稿第十二页，共三十三页磁离合器磁离合器1/6模型边界条件模型边界条件耦合使内半径满足通量平耦合使内半径满足通量平行条件行条件各自的约束方程保证各自的约束方程保证了奇对称条件了奇对称条件强制约束使外半径满足通量强制约束使外半径满足通量平行条件平行条件13本讲稿第十三页，共三十三页利用求解时贮存的单元数据来计算力矩，故必须设置力矩计算标志利用求解时贮存的单元数据来计算力矩，故必须设置力矩计算标志Preprocloadsapplyflagcomp.Force/torq(利用宏命令定义的利用宏命令定义的 S_IRON 组件组件)施加相应的表面标志施加相应的表面标志以计算力以计算力/力矩力矩(只图示模型上半部分）只图示模型上半部分）14本讲稿第十四页，共三十三页求解计算求解计算Soluelectromagnetopt&solv磁力线图磁力线图15本讲稿第十五页，共三十三页计算力矩计算力矩Postprocelect&mag calccomp.Torque (选择选择 S_IRON 组件组件)力矩作用于定子力矩作用于定子注意：力矩单位为单位长度牛注意：力矩单位为单位长度牛米米16本讲稿第十六页，共三十三页利用利用Maxwell应力张量方法由路径计算也能计算力矩应力张量方法由路径计算也能计算力矩 Postproelec&mag calccircular torq计算力矩时的圆计算力矩时的圆形路径半径形路径半径选择选择 OK17本讲稿第十七页，共三十三页力矩作用在转子上使定子和转子磁极成一直线排列力矩作用在转子上使定子和转子磁极成一直线排列力矩计算路径力矩计算路径18本讲稿第十八页，共三十三页模拟有许多磁极的电机，周期性边界条件模拟有许多磁极的电机，周期性边界条件非常有用非常有用右图显示的是一个右图显示的是一个10极永磁电机极永磁电机模拟转子的运动。当转子转动时，电模拟转子的运动。当转子转动时，电流会变化。流会变化。定子槽内显示电流密度定子槽内显示电流密度本模型也允许转子和定子相互独立本模型也允许转子和定子相互独立观看动画，可执行动画文件观看动画，可执行动画文件:mach2d.avi定子定子转子转子19本讲稿第十九页，共三十三页约束方程约束方程不相同网格不相同网格应用应用问题描述问题描述轴对称致动器轴对称致动器分析目的分析目的计算衔铁在任意垂直位置时的计算衔铁在任意垂直位置时的电磁力电磁力线圈线圈定子定子衔铁衔铁20本讲稿第二十页，共三十三页性质性质定子定子/衔铁：铁介质衔铁：铁介质 r=1000线圈线圈:空气磁导率空气磁导率空气空气:空气磁导率空气磁导率励磁励磁4000 安匝安匝衔铁运动方向衔铁运动方向衔铁材料衔铁材料 4定子材料定子材料 4线圈材料线圈材料 321本讲稿第二十一页，共三十三页 输入宏命令输入宏命令mv_arm.mac建立模型建立模型实体模型和单元（实体模型和单元（SI 单位制）单位制）磁化率磁化率=1000衔铁单元组件衔铁单元组件A_IRON 衔铁单元和节点组件衔铁单元和节点组件ARMATURE线圈为线圈为4000安匝安匝模型在此线上不相连模型在此线上不相连22本讲稿第二十二页，共三十三页连接不相同网格需要有：连接不相同网格需要有：网格较细的一边的节点网格较细的一边的节点另一边的单元另一边的单元将定子一侧边界上的节点建立组件将定子一侧边界上的节点建立组件.选择定子模型边界上线段选择定子模型边界上线段选择选择STATOR组件组件再选择边界上线段再选择边界上线段选择所选线段上的全部节点选择所选线段上的全部节点建立单节点组件建立单节点组件CE_N定子内半径全定子内半径全部节点部节点23本讲稿第二十三页，共三十三页选择衔铁组件选择衔铁组件ARMATURE选择节点组件选择节点组件 CE_N应用约束方程生成器应用约束方程生成器Preproccoupling/ceqnadjacent regions选择选择 OK24本讲稿第二十四页，共三十三页节点上施加通量平行条件，但不包节点上施加通量平行条件，但不包括约束方程所含节点括约束方程所含节点激活全部单元激活全部单元选择外部节点选择外部节点不选约束方程中节点不选约束方程中节点（最大约束方程数为（最大约束方程数为1000）Preproc.loadsapplyboundary flux-parl-on nodes(选择选择pick all）生成约束方程生成约束方程25本讲稿第二十五页，共三十三页对衔铁施加力边界条件标志对衔铁施加力边界条件标志 PreprocessorLoadsApply-Magnetic-FlagComp Force选择选择 OK产生运动后，衔铁力产生运动后，衔铁力标志仍然有效标志仍然有效26本讲稿第二十六页，共三十三页执行求解执行求解全部激活全部激活 Soluelectromagnetopt&solve图示磁通密度图示磁通密度Postprocplot resultsnodal solution弱场显示有严重漏磁弱场显示有严重漏磁注：磁力线和磁通密度在边界上连续注：磁力线和磁通密度在边界上连续BSUM(T)磁通密度和磁力线迭磁通密度和磁力线迭加显示加显示27本讲稿第二十七页，共三十三页利用求解时所得力求和而得到垂直力利用求解时所得力求和而得到垂直力 Postproelec&mag calccomp.Force(应用应用 A_IRON组件组件)作用在衔铁上的力迫使衔作用在衔铁上的力迫使衔铁向下运动铁向下运动28本讲稿第二十八页，共三十三页利用利用move/modify 菜单使与衔铁相关的平面向下运动菜单使与衔铁相关的平面向下运动选择选择 ARMATURE组件组件Preprocmove/modifyareas(选择选择pick ALL)衔铁向下运动距离衔铁向下运动距离选择选择 OK29本讲稿第二十九页，共三十三页衔铁需要与定子重新相关联衔铁需要与定子重新相关联首先删除已存在的约束方程首先删除已存在的约束方程Preproccouple/ceqndel constr eqn选择选择 OK 与前面一样重新设置衔铁的关联与前面一样重新设置衔铁的关联对除有约束方程的节点外的所有外部节点重新施加平行条件对除有约束方程的节点外的所有外部节点重新施加平行条件执行求解执行求解30本讲稿第三十页，共三十三页BSUM(T)显示磁通密度和磁力线迭加图显示磁通密度和磁力线迭加图由于衔铁位置改变，磁力线随着由于衔铁位置改变，磁力线随着变化变化定子内最大磁密定子内最大磁密BSUM增大增大模型交界处磁场连续模型交界处磁场连续31本讲稿第三十一页，共三十三页利用下面菜单求得垂直力利用下面菜单求得垂直力 Postproelec&mag calccomp.Forces (应用应用 A_IRON 组件）组件）32本讲稿第三十二页，共三十三页将执行单个求解的命令放在用将执行单个求解的命令放在用APDL做的做的do循环中，就可以执行一系列求循环中，就可以执行一系列求解，如动画所示解，如动画所示观察动画，执行动画文件观察动画，执行动画文件:mv_arm.avi33本讲稿第三十三页，共三十三页