电磁场有限元分析2解读ppt课件.ppt
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1、西安交通大学西安交通大学No.1 8/2/2022M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity低频电磁场有限元分析(低频电磁场有限元分析(ANSYS)孙岩桦孙岩桦 副教授副教授M&ISI, School of MEXian Jiaotong Univ.Xian, Shaanxi, P.R. China, 西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversityNo.23 2D 静态分析静态分析3.1 所用单元所用单元3.2 分析区域类型分析区域类型3.3 常用材料属性常用材料属性3.4 分析步
2、骤分析步骤 3.5 实例电磁作动器实例电磁作动器西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversityNo.3 3.1 所用单元所用单元单元类型形状和特点自由度PLANE134节点四边形3节点三角形每节点最多4自由度:AZ,位移,温度,VOLTPLANE538节点四边形6节点三角形每节点最多4自由度:AZ,电流,EMF,VOLT(1) 2D实体单元单元类型形状和特点自由度INFIN92节点线元AZ,位移,温度,VOLTINFIN1104节点或8节点4边形AZ,温度,电势(2) 远场单元西安交通大学西安交通大学 8/2/2022
3、M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversityNo.4单元类型形状和特点自由度CIRCU124最多6节点每节点最多3自由度:电势,电流,EMF(3) 通用电路单元单元类型形状和特点自由度TARGE169目标线段无接触分析中对目标区域建模CONTA171面-面接触元,2节点AZ接触分析中对接触区域建模CONTA172面-面接触元,3节点AZ,接触分析中对接触区域建模CONTA175点-面接触元,1节点AZ,接触分析中对接触区域建模(4) 接触单元西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversi
4、tyNo.51 1)空气)空气 自由度:自由度:AZ AZ 材料属性:材料属性:r r ( (MURX),MURX),(RSVX)(RSVX)2 2)铁磁性物质)铁磁性物质 自由度:自由度:AZAZ 材料属性:材料属性:r r ( (MURX)MURX)或或B-HB-H曲线曲线, ,3 3)永磁体)永磁体 自由度:自由度:AZAZ 材料属性:材料属性:r r ( (MURX)MURX)或或B-HB-H曲线曲线, Hc, Hc (MGXX,MGYY) (MGXX,MGYY) 3.2 分析区域类型分析区域类型西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian Ji
5、aotongUniversityNo.6/PREP7HC=3000 ! Coercive forceBR=4000 ! Residual inductionTHETA=30 ! Permanent magnet orientation*AFUN,DEG ! Angular parametric functions in degreesMP,MGXX,2,HC ! X component of coercive force西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversityNo.7! B-H curve:TB,BH,2 ! B
6、-H curve for material 2TBPT,DEFI,-3000+HC,0 ! Shifted B-H curveTBPT,-2800+HC,500 ! First field defaults to DEFITBPT,-2550+HC,1000TBPT,-2250+HC,1500TBPT,-2000+HC,1800TBPT,-1800+HC,2000TBPT,-1350+HC,2500TBPT,-900+HC,3000TBPT,-425+HC,3500TBPT,0+HC,4000TBPLOT,BH,2 ! Plot of B vs. H西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M
7、&ISISchool of MEXian JiaotongUniversityNo.8西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversityNo.94 4)电流激励多股线圈)电流激励多股线圈 自由度:自由度:AZAZ 材料属性:材料属性:r r 用用 BFEBFE命令施加命令施加单元单元电流密度电流密度JSJS5 5)电压激励多股线圈)电压激励多股线圈(PLANE53)(PLANE53) 自由度:自由度:AZAZ,CURRCURR 材料属性:材料属性:r r ( (MURX),MURX), (RSVX)(RSVX) 实常数:实
8、常数:CARE,TURN,LENG,DIRZ,FILLCARE,TURN,LENG,DIRZ,FILL 用用 BFEBFE命令施加电压命令施加电压VLTGVLTG 耦合区域内所有单元的耦合区域内所有单元的CURRCURR自由度,自由度,因为因为CURRCURR是流过每匝线圈的电流是流过每匝线圈的电流西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversityNo.10(RSVX) : (RSVX) : 各向同性各向同性 实常数:实常数:CARECARE:线圈横截面积:线圈横截面积TURNTURN:线圈匝数:线圈匝数LENGLENG:
9、线圈长度,用来计算电特性:线圈长度,用来计算电特性DIRZDIRZ:电流方向:电流方向FILLFILL:填充系数,影响线圈电阻:填充系数,影响线圈电阻西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversityNo.116 6)运动导体)运动导体 自由度:自由度:AZAZ 材料属性:材料属性:r r ( (MURX)MURX)或或B-HB-H曲线曲线, , (RSVX) (RSVX) (各向同性各向同性) 实常数:实常数:VELOX, VELOY,OMEGAZ,XLOC,YLOCVELOX, VELOY,OMEGAZ,XLOC,YL
10、OC 导体运动时区域的空间位置和属性不发生变化,典型应用:导体运动时区域的空间位置和属性不发生变化,典型应用:u实心转子感应电机实心转子感应电机u直线感应电机直线感应电机u涡流刹车系统涡流刹车系统u磁轴承磁轴承西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversityNo.12运动导体分析时所用实常数运动导体分析时所用实常数a)a)VELOX, VELOYVELOX, VELOY:全局笛卡尔坐标系中速度分量:全局笛卡尔坐标系中速度分量Z Zb)b)OMEGAZOMEGAZ:旋转角速度:旋转角速度, ,单位:单位:HzHzc)c)X
11、LOC,YLOCXLOC,YLOC:旋转轴在全局笛卡尔坐标系中位置: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:分析时计算精度受集肤效应影响,与下面因素有关:a)a)网格剖分的精细程度网格剖分的精细程度b)b)相对磁导率相对磁导率c)c)电导率电导率d)d)速度速度可以用磁雷诺数来衡量(可以用磁雷诺数来衡量(数量级1.0之内有较高精度):):磁导率运动速度电阻率沿运动方向特征长度reVdMVd西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversityNo.137 7)不同网格边界)不同网格边界 自由
12、度:自由度:AZAZ 接触单元:接触单元: TARGE169, CONTA171, CONTA172, CONTA175TARGE169, CONTA171, CONTA172, CONTA175西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversityNo.14ANSYS ANSYS 材料库中预定义了如下材料的属性:材料库中预定义了如下材料的属性: 如果同一材料同时给定如果同一材料同时给定B-HB-H曲线和曲线和urur,那么使用,那么使用urur 可以指定各向异性相对磁导率,可以指定各向异性相对磁导率,MURX,MURY,MU
13、RZMURX,MURY,MURZ 可以同时用可以同时用urur和和B-HB-H曲线指定各方向磁导率,若曲线指定各方向磁导率,若urur=0,=0,则使用则使用B-HB-H曲线曲线mp,murx,2,1000 mp,mury,2,0! read B-H curve for material 2mp,murz,2,1000 3.3 常用材料属性常用材料属性材料特性材料属性文件名铜电阻率/温度曲线,uremagCopper.SI_MPLM3钢B-H曲线emagM3.SI_MPLM54钢B-H曲线emagM54.SI_MPLSA1010钢B-H曲线emagSa1010.SI_MPL硅钢B-H曲线ema
14、gSilicon.SI_MPL钴钢B-H曲线emagVanad.SI_MPL西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversityNo.15 设置分析环境设置分析环境(/prep7)(/prep7): 建立分析模型、剖分网格并给每个区域设定建立分析模型、剖分网格并给每个区域设定属性参数属性参数 施加边界条件和载荷(或激励)施加边界条件和载荷(或激励) 求解求解 后处理(后处理(/post1/post1) 3.4 分析步骤分析步骤西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian Jiaoton
15、gUniversityNo.161)边界条件和载荷)边界条件和载荷a a)边界条件)边界条件 磁通垂直(磁通垂直(缺省缺省):): 磁通平行磁通平行: AZ=0: AZ=0 远场远场:INFIN9,INFIN110:INFIN9,INFIN110 周期性周期性: : 外部场外部场: :直接给定节点直接给定节点AZAZ值值b b)激励)激励 源电流密度(源电流密度(JSJS):):BFE, BFABFE, BFA 电压降(电压降(VLTGVLTG):): BFE, BFABFE, BFAc c)标记()标记(FLAGFLAG) 力标记:力标记:FMAGBCFMAGBC宏宏可以直接给物体上施加麦克
16、斯韦应力和虚位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。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无限大表面:用来表示指向无限大开区域的单元d d)其它)其它 线电流(线电流(CSGXCSGX) 麦克斯韦表面:在包围铁磁体的空气单元上施加麦克斯韦表面: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磁虚位移:在和空气接触的铁磁体边界节点上施加西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversityNo.172) 分
17、析选项分析选项a a)分析类型:)分析类型:ANTYPE,STATICANTYPE,STATICb b)求解算法)求解算法 SparseSparse Frontal solver(Frontal solver(缺省缺省) ) JacobiJacobi Conjugate Gradient(JCG Conjugate Gradient(JCG) solver) solver JCG out-of-memory solverJCG out-of-memory solver Incomplete CholeskyIncomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG
18、Conjugate Gradient(ICCG) solver) solver Preconditioned Conjugate Gradient solver (PCG)Preconditioned Conjugate Gradient solver (PCG) PCG out-of-memory solverPCG out-of-memory solverc c)注意事项)注意事项 一般采用一般采用SparseSparse或或Frontal solverFrontal solver 模型很大是,可以采用模型很大是,可以采用JCGJCG或或PCG solverPCG solver 如果是电压
19、激励或包含速度效应时,只能用如果是电压激励或包含速度效应时,只能用sparse,frontalsparse,frontal, , JCG,ICCG solverJCG,ICCG solver 电路激励时,只能用电路激励时,只能用SparseSparse或或Frontal solver Frontal solver 西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversityNo.183) 后处理后处理基本结果:基本结果: 节点电磁自由度节点电磁自由度 (AZ, CURR)间接结果:间接结果: 节点磁密节点磁密 (BX, BY, BS
20、UM) 节点磁场强度节点磁场强度 (HX, HY, HSUM) 节点电磁力节点电磁力 (FMAG: X, Y分量分量, SUM) 节点感生线电流节点感生线电流 (CSGZ) 单元源电流密度单元源电流密度 (JSZ) 单位体积焦耳热单位体积焦耳热 (JHEAT) . 等等.西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversityNo.19结果显示:结果显示:磁力线:等磁力线:等AZ线线等高线等高线向量图向量图电磁力、力矩:电磁力、力矩:电参数:电参数:线圈电阻线圈电阻电感电感西安交通大学西安交通大学 8/2/2022M&ISISc
21、hool of MEXian JiaotongUniversityNo.20其它宏: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 calculat
22、ions 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:cal
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