Ansys电磁场分析简介.ppt

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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。 ANSYS 软件是融结构、热、流体、电

2、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。有限元方法有限元方法 有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集将连续体看作是只

3、在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，进而利用力学中的某些变分原场函数的分布规律，进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元法方程，从理去建立用以求解节点未知量的有限元法方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。一经求解就可以利用解得的节的有限自由度问题。一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体

4、点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。上的场函数。电磁场分析与有限元方法电磁场分析与有限元方法 对于电磁场问题，既可以转化为微分方程的对于电磁场问题，既可以转化为微分方程的定解问题，也可以归结为变分问题，即求静电场能定解问题，也可以归结为变分问题，即求静电场能量的极值问题。量的极值问题。 有限元法有限元法就是以变分原理为基础，吸取差分就是以变分原理为基础，吸取差分格式思想的一种求解微分方程的系统化数值计算方格式思想的一种求解微分方程的系统化数值计算方法。它利用离散的单元，使静电场的能量近似表示法。它利用离散的单元，使静电场的能量近似表示为有限个结点电位的函数。这样，求解静电场

5、能量为有限个结点电位的函数。这样，求解静电场能量的极值问题就转化为多元函数的极值问题，即对于的极值问题就转化为多元函数的极值问题，即对于静电场有限元计算最后都归结为大型稀疏有限元方静电场有限元计算最后都归结为大型稀疏有限元方程的求解。程的求解。 有限元分析流程有限元分析流程工程问题l搜集相关资料l决定分析项目l获取材料的机械性质及几何条件、外力、边界条件建立有限元模型l材料性质l几何形状的定义l元素切割的产生l加边界条件l加负荷条件l加时间变化情形分析分析结果显示与打印结果研判提出改进方法问题解决或得到最佳设计前置处理Preprocessing解题程序Solution后置处理Post proc

6、essing有限元程序合理不合理不合理在在Ansys/Emag或或Ansys/Multiphysics中中Ansys程序的电磁能力程序的电磁能力可用来分析电磁场的多方面问题，如电感、电容、阻抗、磁可用来分析电磁场的多方面问题，如电感、电容、阻抗、磁通量密度、磁场强度、磁通泄漏、涡流、电场分布、磁力线、通量密度、磁场强度、磁通泄漏、涡流、电场分布、磁力线、品质因数、特征频率、磁力和力矩、运动效应、电路和能量品质因数、特征频率、磁力和力矩、运动效应、电路和能量损失等。损失等。可用来分析以下设备可用来分析以下设备电力发电机电力发电机变压器变压器螺线管螺线管电动机电动机磁成像系统磁成像系统回旋加速器回

7、旋加速器磁悬浮装置磁悬浮装置图像显示设备传感器图像显示设备传感器磁带和磁盘驱动器磁带和磁盘驱动器波导波导谐振腔谐振腔开关开关天线辐射天线辐射滤波器滤波器等离子体装置等离子体装置电解槽电解槽用于用于Ansys电磁场分析的电磁场分析的有限元公式有限元公式由磁场的由磁场的Maxwell方程组导出，通过将标量势或边界通量引入方程组导出，通过将标量势或边界通量引入Maxwell方方程组中考虑其电磁性质关系，就可以开发出适合于有程组中考虑其电磁性质关系，就可以开发出适合于有限元分析的方程组。限元分析的方程组。ANSYS的一些特点的一些特点用户可方便地选择用户可方便地选择MKS、CGS或其他一些单位或其他一

8、些单位制作为电磁场分析的单位制。制作为电磁场分析的单位制。作为标准的作为标准的Frontal求解器的替代者，求解器的替代者，PCG、ICCG和和JCG迭代求解器非常适用于求解电磁迭代求解器非常适用于求解电磁场问题，因为它们提供了势场问题的快速解法。场问题，因为它们提供了势场问题的快速解法。使用二维和三维无限边界单元，则不需要建立使用二维和三维无限边界单元，则不需要建立环绕电磁设备的无限介质的大模型，从而可以环绕电磁设备的无限介质的大模型，从而可以采用更小的模型，同时降低了对计算机资源的采用更小的模型，同时降低了对计算机资源的需求。需求。ANSYS的一些特点（续的一些特点（续1）Ansys提供了

9、丰富的线性和非线性材料的表达方式，提供了丰富的线性和非线性材料的表达方式，包括各向同性或正交各向异性的线性磁导率，材料包括各向同性或正交各向异性的线性磁导率，材料的的B-H曲线和永磁体的退磁曲线。曲线和永磁体的退磁曲线。后处理功能允许用户显示磁力线、磁通密度和磁场后处理功能允许用户显示磁力线、磁通密度和磁场强度并进行力、力矩、源输入能量、感应系数、端强度并进行力、力矩、源输入能量、感应系数、端电压和其他参数计算。电压和其他参数计算。ANSYS的一些特点（续的一些特点（续2）ANSYS电场分析功能可用于研究电场的三方面的问题：电流传导、静电分析和电路分析。电场分析功能可用于研究电场的三方面的问题

10、：电流传导、静电分析和电路分析。感兴趣的物理量包括电流密度、电场强度、电势分布、电通量密度、传导产生的焦耳热、贮能、力、电容、感兴趣的物理量包括电流密度、电场强度、电势分布、电通量密度、传导产生的焦耳热、贮能、力、电容、电流以及电势降等。电流以及电势降等。主要优点之一是耦合场分析功能。磁场分析的耦合场载荷可被自动耦合到结构、流体和热单元上。此外在对主要优点之一是耦合场分析功能。磁场分析的耦合场载荷可被自动耦合到结构、流体和热单元上。此外在对电路耦合器件的电磁场分析时，电路可被直接耦合到导体或电源，同时也计及运动的影响。电路耦合器件的电磁场分析时，电路可被直接耦合到导体或电源，同时也计及运动的影

11、响。1、在电磁场分析中要计算的量、在电磁场分析中要计算的量磁通密度磁通密度磁场强度磁场强度磁力及磁矩磁力及磁矩阻抗阻抗电感电感涡流涡流能量损耗能量损耗磁漏磁漏S-参数参数品质因数品质因数反射波损耗反射波损耗特征频率特征频率2、电磁场的来源电磁场的来源n电流、外加磁场、永磁体电流、外加磁场、永磁体3、什么时候要用二维分析？、什么时候要用二维分析？2-D平面分析：平面分析：忽略终端效应忽略终端效应模型位于模型位于X-Y平面平面电流方向只沿电流方向只沿X-Y面的面的法线方向（法线方向（Z方向）方向）磁场只有磁场只有X-Y面内的分面内的分量量2-D轴对称分析：轴对称分析：模型位于模型位于X-Y平面平面

12、电流方向只沿电流方向只沿X-Y面的面的法线方向（圆周法线方向（圆周Z方向）方向）磁场只有磁场只有X-Y面内的分面内的分量量4、什么时候要用三维分析？、什么时候要用三维分析？要计算的设备不具有对称性要计算的设备不具有对称性电流不知沿着一个方向流动电流不知沿着一个方向流动可描述可描述2-D分析无法实现的计算分析无法实现的计算5、自由度情况、自由度情况有限元计算中的主自由度是磁势或磁通量，其他的有限元计算中的主自由度是磁势或磁通量，其他的磁场量都由这些主自由度给出。具体问题中的自由磁场量都由这些主自由度给出。具体问题中的自由度可以是磁矢势、磁标势和磁通量，这要根据所选度可以是磁矢势、磁标势和磁通量，

13、这要根据所选择的单元类型和单元选项来选择。择的单元类型和单元选项来选择。6、ANSYS磁场分析的类型磁场分析的类型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。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。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。场所产生的磁场，用矢势法。ANSYS磁场分析的类型（续磁场分析的类型（续1）3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产

14、生的磁静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用标势法。场，用标势法。3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用基于单元边的方法。场，用基于单元边的方法。3-D谐波磁场分析，分析低频交流电流所产生的磁场，谐波磁场分析，分析低频交流电流所产生的磁场，用基于单元边的方法。这种方法适用于大部分谐波用基于单元边的方法。这种方法适用于大部分谐波磁场分析。磁场分析。ANSYS磁场分析的类型（续磁场分析的类型（续2）3-D瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，用基于单元边的方法。这种方

15、法适用所产生的磁场，用基于单元边的方法。这种方法适用于大部分瞬态磁场分析。于大部分瞬态磁场分析。3-D静态磁场分析，基于节点，用矢势法。静态磁场分析，基于节点，用矢势法。3-D谐波磁场分析，基于节点，用矢势法。谐波磁场分析，基于节点，用矢势法。3-D瞬态磁场分析，基于节点，用矢势法。瞬态磁场分析，基于节点，用矢势法。7、什么是磁标势法、什么是磁标势法这种方法可将电流源按这种方法可将电流源按“基元基元”建模，而不是单元，建模，而不是单元，这样电流源可以不是有限元的一部分，只是在相应位这样电流源可以不是有限元的一部分，只是在相应位置考虑它们对磁场的贡献。它不受模型其他部分的限置考虑它们对磁场的贡献

16、。它不受模型其他部分的限制，建立模型更容易。制，建立模型更容易。标势法的特点标势法的特点可用砖型（六面体）、碶型、金字塔形、四面体型可用砖型（六面体）、碶型、金字塔形、四面体型单元。单元。电流源用电流源用“基元基元”（原始实体）定义（原始实体）定义可含永久磁体可含永久磁体允许线性和非线性磁导率允许线性和非线性磁导率可用节点耦合和约束方程可用节点耦合和约束方程8、什么是磁矢势（、什么是磁矢势（MVP）法？）法？是基于节点方法中的一种（标势法是另一种是基于节点方法中的一种（标势法是另一种节点法），矢势法中的节点自由度要比标势节点法），矢势法中的节点自由度要比标势法多：法多：AX、AY和和AZ，亦即

17、，亦即X、Y和和Z方向的方向的磁矢量势。在载压或电路耦合分析中还可以磁矢量势。在载压或电路耦合分析中还可以引入另外三个自由度：电流（引入另外三个自由度：电流（CURR），电），电动势降（动势降（EMF）和电势（）和电势（VOLT）。）。2-D磁分磁分析必须采用矢势法，此时主自由度只有析必须采用矢势法，此时主自由度只有AZ。在矢势法中，电流源（导电区域）要作为整在矢势法中，电流源（导电区域）要作为整个有限元模型的一部分。因为它的节点自由个有限元模型的一部分。因为它的节点自由度更多，所以它的运算速度较慢。度更多，所以它的运算速度较慢。9、什么是基于单元边的分析？、什么是基于单元边的分析？基于单元边

18、的方法只能用基于单元边的方法只能用3-D分析，而不能用于分析，而不能用于2-D分分析，对大多数析，对大多数3-D谐波分析和瞬态分析都推荐使用这种谐波分析和瞬态分析都推荐使用这种方法。基于单元边的方法中的自由度与单元边有关系，方法。基于单元边的方法中的自由度与单元边有关系，而与单元节点没关系。它提供了而与单元节点没关系。它提供了3-D低频静态和动态电低频静态和动态电磁场的求解能力。磁场的求解能力。这种方法同基于节点的矢势法相比计算更精确。特别这种方法同基于节点的矢势法相比计算更精确。特别是当模型中有铁区存在的时候。但在下列情况下要用是当模型中有铁区存在的时候。但在下列情况下要用矢势法：矢势法：当模型中存在着运动效应和电路耦合时；当模型当模型中存在着运动效应和电路耦合时；当模型要求电路和速度效应时；当模型中的单元存在着碶要求电路和速度效应时；当模型中的单元存在着碶型退化时；当所分析的模型中没有铁区时。型退化时；当所分析的模型中没有铁区时。