电磁场基础知识第三章.ppt

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1、现在学习的是第1页，共80页交流模拟是一种随时间变化的模拟交流模拟是一种随时间变化的模拟假定励磁为正弦波假定励磁为正弦波角(度)励磁电压(V)电流密度(A/m2)2现在学习的是第2页，共80页可用两个场分量来表示可用两个场分量来表示电相角为电相角为0场分量场分量电相角为电相角为90场分量场分量考虑一个导电杆考虑一个导电杆在一个绞线线圈中在一个绞线线圈中3现在学习的是第3页，共80页通量平行条件通量平行条件通量垂直条件绞线圈二维轴对称有限元模型电流密度:1E6 A/m2 频率:100Hz导电杆4现在学习的是第4页，共80页二种求解结果二种求解结果:实数解实数解:线圈励磁相位线圈励磁相位0度度 虚

2、数解：相位差虚数解：相位差90度度实数解虚数解5现在学习的是第5页，共80页利用这两种求解结果，任何时间处的场量都能用迭加的方法来生成利用这两种求解结果，任何时间处的场量都能用迭加的方法来生成执行动画文件：acaz.avi观察场动画6现在学习的是第6页，共80页根据根据Faradays 定律，线圈中的时变电流会在导体中感生电流定律，线圈中的时变电流会在导体中感生电流执行动画文件acjt.avi，观察电流动画7现在学习的是第7页，共80页其他假定其他假定模拟只考虑感应效应模拟只考虑感应效应 Faradays定律定律 在绞线圈中感生电流在绞线圈中感生电流 在大导体内电流会重新分布在大导体内电流会重

3、新分布不考虑射频效应不考虑射频效应模拟是线性的模拟是线性的几何体不变几何体不变 保持均匀性条件保持均匀性条件如果用如果用BH曲线描述材料性质，就可以模拟饱和状态曲线描述材料性质，就可以模拟饱和状态8现在学习的是第8页，共80页导电杆中最值得注意的电流效应是感生电流的非均匀性导电杆中最值得注意的电流效应是感生电流的非均匀性杆中心杆外半径(m)9现在学习的是第9页，共80页集肤效应是由集肤效应是由Amps 定律和定律和Faradays定律耦合而产生定律耦合而产生无源、半平面导体电场每隔如下厚度衰减无源、半平面导体电场每隔如下厚度衰减1/e：=(f)-1/2 (m)式中式中=磁导率磁导率=r 0=电

4、导率电导率=1/=电阻率电阻率 (Ohm-m)f=频率频率(Hz)10现在学习的是第10页，共80页导电杆取下列数据导电杆取下列数据:=100 00 =1.2566E-6 (H/m)=2E-7(Ohm-m)f=100(Hz)代入,=(3.1415)(100)(1.2566E-6)(.5E+7)(100)-1/2=.0023 m =2.3 mm与图形相对应，从外半径（7.7mm）向内2.3mm，由于轴对称形状的影响，电流衰减值大于表面电流值的1/e (2.71)。11现在学习的是第11页，共80页模拟交流状态，有三种基本物理考虑模拟交流状态，有三种基本物理考虑(1)模拟施加到线圈模拟施加到线圈/

5、导电杆上的功率的方法导电杆上的功率的方法施加电流边界条件施加电流边界条件 已知电流值已知电流值 致动器致动器感应加热感应加热施加电压边界条件施加电压边界条件 不知道电流值不知道电流值 电机电机施加了任意载荷的非理想变压器施加了任意载荷的非理想变压器12现在学习的是第12页，共80页(2)导电体类型导电体类型绞线型导体绞线型导体:导体是否细到足以忽略涡流效应的影响导体是否细到足以忽略涡流效应的影响?（涡流效应以非均匀（涡流效应以非均匀的方式重新分布电流）的方式重新分布电流）典型应用典型应用:变压器绕组变压器绕组电机绕组电机绕组 致动器致动器绕组绕组13现在学习的是第13页，共80页块导体块导体:

6、导体大到足以允许涡流的产生。导体大到足以允许涡流的产生。场量和电流的峰值在一个或多个面上会重新分布场量和电流的峰值在一个或多个面上会重新分布典型应用:变压器中的大导体鼠笼电机导电杆感应加热14现在学习的是第14页，共80页BSUM(T)MX电流密度幅值(A/m2)MX导电杆在绞线圈内的圆柱形导电杆上能观察到涡流效应15现在学习的是第15页，共80页(3)终端条件终端条件终端短路条件终端短路条件:导体间是否在端部连接以允许电流在导体之间流过导体间是否在端部连接以允许电流在导体之间流过?三维导体终端连接二维模型16现在学习的是第16页，共80页端部短路条件端部短路条件不用任何对称条件，只模拟导体一

7、部分不用任何对称条件，只模拟导体一部分:三维导体终端连接部分导体不建模二维模型17现在学习的是第17页，共80页端部开路条件端部开路条件:导体端部是否分开以至于电流不能在导体之间流过导体端部是否分开以至于电流不能在导体之间流过?三维导体在终端开路二维模型18现在学习的是第18页，共80页材料性质材料性质:要模拟涡流，需另外提供的材料性质是电阻率要模拟涡流，需另外提供的材料性质是电阻率(RSVX)单位：欧姆单位：欧姆-米米某些单元类型选项要求定义电阻率，可参考单元选项的帮助文档某些单元类型选项要求定义电阻率，可参考单元选项的帮助文档RSVX可以是的温度的函数可以是的温度的函数19现在学习的是第1

8、9页，共80页如何模拟叠片铁芯如何模拟叠片铁芯?叠片允许使用可导磁的材料，但无损于铁芯中涡流的发展。叠片允许使用可导磁的材料，但无损于铁芯中涡流的发展。可是，可是，BH数据和磁导率是频率、叠片材料和叠片厚度的函数。数据和磁导率是频率、叠片材料和叠片厚度的函数。通常，如果存在空气隙，就可不需要考虑迭层系数。如果需要考虑的话，迭通常，如果存在空气隙，就可不需要考虑迭层系数。如果需要考虑的话，迭层系数效应包含在磁导率数值内。层系数效应包含在磁导率数值内。20现在学习的是第20页，共80页迭片平行于磁通迭片平行于磁通:eff=S(r-1)+1式中式中 r=迭片磁导率迭片磁导率S =Wi/(Wi+Wa)

9、Wi=一个迭片厚度一个迭片厚度Wa=迭片之间非导磁材料厚度迭片之间非导磁材料厚度叠片磁通方向21现在学习的是第21页，共80页迭片垂直于磁通迭片垂直于磁通:eff=r /r-S(r-1)式中式中 r=迭片磁导率迭片磁导率S =Wi/(Wi+Wa)Wi=单个迭片厚度单个迭片厚度Wa=迭片之间非导磁材料厚度迭片之间非导磁材料厚度磁通方向叠片22现在学习的是第22页，共80页问题描述 平面导体为电流供电导体为块导体 导体和空气都在磁导率无限大的槽内分析顺序建模加边界条件执行模拟后处理 磁力线 功率损失 导体空气铁23现在学习的是第23页，共80页性质性质导体导体:r=1 =17.1 -mm空气空气:

10、r =1 槽材料槽材料:完全导磁材料完全导磁材料励磁励磁1 安培安培(峰值峰值)交流电流交流电流初始相位为初始相位为0度度空气铁 导体 24现在学习的是第24页，共80页因为电流加在整个导体截面上，要求因为电流加在整个导体截面上，要求VOLT 自由度耦合自由度耦合建立两种单元类型建立两种单元类型 空气为空气为1号单元类型号单元类型 导体为导体为2号单元类型，具有号单元类型，具有VOLT 自由度自由度 Preprocelement typeadd/edit/delete导体为2号单元类型平面 选择 OK25现在学习的是第25页，共80页建立空气材料建立空气材料(MURX=1)性质（性质（1号材料

11、）号材料）Preprocmaterial propsisotropic (用用Apply 来选择来选择)建立导体材料建立导体材料(MURX=1 and RSVX=17.1E-9)性质（性质（2号材料）号材料）Preprocmaterial propsisotropic选择 OK26现在学习的是第26页，共80页为建模输入参数为建模输入参数A=6.45 mmB=8.55 mm C=8.45 mm D=18.85 mmE=8.95 mm用二者之一1)窗口命令2)Utilityparameterscalar输入参数后选择Accept 27现在学习的是第27页，共80页 选择 Apply建立导体上半部

12、份建立导体下半部份Preproc createrectangleby dimensions把上下导体连成一个平面Preprocoperateaddareas Pick All28现在学习的是第28页，共80页建空气间隙建空气间隙 利用glue 操作连接两个平面 Preprocoperateglueareas 选择 Pick All 选择 OK29现在学习的是第29页，共80页空气区域属性的缺省值为空气区域属性的缺省值为1号材料和号材料和1号单元号单元给导体赋属性给导体赋属性Preproc-Attributes-definepicked areas(选择导体选择导体)选择 OK30现在学习的是第

13、30页，共80页生成网格生成网格Preprocmesh-areas-free mesh选择选择Pick All打开材料号显示31现在学习的是第31页，共80页模拟端部条件需要耦合电压（模拟端部条件需要耦合电压（VOLT）自由度）自由度选择导体节点选择导体节点32现在学习的是第32页，共80页进行耦合进行耦合Preproccoupling/ceqncouple DOFs耦合显示符号主节点 选择 OK33现在学习的是第33页，共80页空气隙上部加通量平行条件空气隙上部加通量平行条件 Preprocloadsapplyboundaryflux parlon lines34现在学习的是第34页，共80

14、页利用利用.001系数来缩放模型，使其单位制从毫米变化到米系数来缩放模型，使其单位制从毫米变化到米选择整个模型选择整个模型Preprocoperatescaleareas 选择 OK35现在学习的是第35页，共80页给导体加峰值电流（安培）给导体加峰值电流（安培）Preprocloadsapply-electric-excitationon keypoints选取导体的任一个关键点选取导体的任一个关键点 给该点加上给该点加上1安培峰值电流安培峰值电流选择谐波分析类型 Solutionnew analysis(选择Harmonic)36现在学习的是第36页，共80页设置分析的交变频率设置分析的交

15、变频率Solutiontime/frequencfreq&substeps终止频率：允许模拟多个频率多个频率模拟时，确保相同频率激励确定（模拟）中间频率分段数37现在学习的是第37页，共80页进行模拟进行模拟UtilityselecteverythingSolutioncurrent LS 选择 OK38现在学习的是第38页，共80页后处理可处理两个解后处理可处理两个解检察外加电流时的同相场检察外加电流时的同相场(实数解实数解)Postprocby load step 选择 OK39现在学习的是第39页，共80页电流分布选择导体 Postprocelec&mag calccurrent磁力线图

16、示磁力线图示Postprocplot results2D flux lines40现在学习的是第40页，共80页利单元表数据利单元表数据JT（实数解）看电流等值图（实数解）看电流等值图Postprocplot resultselem table41现在学习的是第41页，共80页检察与外加电流相差检察与外加电流相差90度相位的场量（虚数解）度相位的场量（虚数解）Postprocby load step 选择 OK42现在学习的是第42页，共80页磁力线图示磁力线图示Postprocplot results2D flux lines电流分布选择导体 Postprocelec&mag calccur

17、rent43现在学习的是第43页，共80页Postprocplot resultselem table(虚数解虚数解)选择 OK44现在学习的是第44页，共80页计算导体中的功率损失计算导体中的功率损失 Postprocelec&mag calcpower loss功率损失为单位导体长度结果以参数方式贮存，可用命令 Utilityparameterscalar来观察45现在学习的是第45页，共80页图示功率损失图示功率损失Postprocplot resultselem table (PLOSSD)选择 OK46现在学习的是第46页，共80页例题描述例题描述 轴对称轴对称加载电压加载电压 绞线

18、型线圈绞线型线圈屏蔽极是一个圆环屏蔽极是一个圆环分析顺序分析顺序建模建模 加边界条件和载荷加边界条件和载荷进行模拟进行模拟后处理后处理时间平均力时间平均力 屏蔽极功率损失屏蔽极功率损失线圈阻抗线圈阻抗 Z=V/I =Re+jRi47现在学习的是第47页，共80页Units:m材料性质材料性质:线圈线圈:铜铜直流电阻直流电阻:12 400 匝匝,32 线径线径=17.1 -mm 铜环铜环:r=1 =17.1-mm空气空气:r =1 定子和衔铁定子和衔铁:铁素体铁素体r=1000 1-m励磁励磁:24 V RMS AC 模型模型:轴对称轴对称48现在学习的是第48页，共80页物理区域描述物理区域描

19、述屏蔽极屏蔽极圆环是连续的圆环是连续的截面电流不为零截面电流不为零.线圈线圈线圈由小于线圈由小于32线径导线组成，细绞线忽略线径导线组成，细绞线忽略集肤效应集肤效应.铁芯区铁芯区(衔铁和定子衔铁和定子)导磁导磁电阻太大而不计涡流电阻太大而不计涡流.49现在学习的是第49页，共80页利用利用acsolen.mac宏建模宏建模未图示空气单元未图示空气单元线圈属性线圈属性 单元类型单元类型:设置设置2号单元号单元(Plane53)线圈要求电压供电线圈要求电压供电实常数设置实常数设置 设置设置 4要求相应于直流电阻要求相应于直流电阻12欧姆的线圈欧姆的线圈400 匝匝50现在学习的是第50页，共80页

20、屏蔽环属性屏蔽环属性连续圆环：短路状态连续圆环：短路状态单元类型单元类型:1号单元号单元(Plane53)材料材料 设置设置 4 电阻率电阻率 RSVX定子（非导体）定子（非导体）单元类型单元类型:1号单元号单元(Plane 53)材料号材料号 2衔铁（非导体）衔铁（非导体）单元类型单元类型:1号单元号单元(Plane 53)材料号材料号3Shading ring51现在学习的是第51页，共80页为了确定自由度，可查询为了确定自由度，可查询Help UtilityHelpT of Canalysis guideElectromagneticHarmonic52现在学习的是第52页，共80页确定

21、线圈单元类型选项确定线圈单元类型选项 Preprocelement typeadd/edit/dele选择 OK 选择 Options53现在学习的是第53页，共80页空气定子衔铁线圈屏蔽圆环证实材料性质54现在学习的是第54页，共80页建立电阻为建立电阻为12欧姆、欧姆、400匝的轴对称线圈匝的轴对称线圈的实常数数据的实常数数据实常数数据要求实常数数据要求:线圈模型横截面线圈模型横截面(Ac)单位单位:m2 线圈匝数（线圈匝数（400）填充系数填充系数(CF)CF=Aw/Ac Aw=铜线总截面积（不包括绝缘铜线总截面积（不包括绝缘层）层）单位单位:m255现在学习的是第55页，共80页 将面

22、积输入参数ACOND Utilityparametersget scalar 选择 OK求得线圈的截面积选择线圈平面计算线圈截面积Preprocoperatecalc geom itemsof areasOK 56现在学习的是第56页，共80页输入参数名选择选择 OK由由Utilityparametersscalar菜单证实参菜单证实参数数57现在学习的是第57页，共80页线圈填充系数必须由匝数、电阻率和面积组成，从而得线圈填充系数必须由匝数、电阻率和面积组成，从而得12欧姆的线圈直流电阻欧姆的线圈直流电阻轴对称矩形线圈填充系数轴对称矩形线圈填充系数 Cf 表达式为表达式为 式中式中 =.17

23、241E-7N=400Ac=ACOND 参数参数Xc=线圈横截面质心径向距离线圈横截面质心径向距离质心径向尺寸质心径向尺寸Xc可输入可输入XCOND参数参数 2XcN2 Ac RcoilCf =58现在学习的是第58页，共80页Utilityparametersget scalar选择 OK选择 OK输入参数名59现在学习的是第59页，共80页 选择 Accept 线圈填充系数CF由Utilityparameters菜单计算 许多致动器设计都在同一窗口并联多个线圈，如果只对一个线圈进行模拟，则只要求建立这一个线圈的模型，这导致填充系数看起来很低60现在学习的是第60页，共80页假设线径和匝数已

24、选定（线圈电阻未知）假设线径和匝数已选定（线圈电阻未知）查找本线规的总截面积查找本线规的总截面积线径线径32，Aw=.0324 mm2 Cf=铜的总截面积铜的总截面积/线圈截面积线圈截面积Cf=400(.0324)(1E-6)/6.6E-5 =.19661现在学习的是第61页，共80页为线圈建立为线圈建立4号实常数号实常数Preprocreal constants选择 Add 选择 OK62现在学习的是第62页，共80页输入线圈实常数数值，输入线圈实常数数值，选择 OK应用下列菜单列出实常数 Utilitylistpropertiesall real constants63现在学习的是第63页

25、，共80页线圈区域需要对全部节点的线圈区域需要对全部节点的CURR自由度值相同（由于电流守恒，流进线圈自由度值相同（由于电流守恒，流进线圈的电流必须等于流出的电流值）的电流必须等于流出的电流值）线圈区域耦合节点线圈区域耦合节点选择线圈区域全部节点选择线圈区域全部节点Preproccouplingcouple DOF Pick All选择 OK必须是一个新的设置参数号64现在学习的是第64页，共80页利用利用APDL 可以获得当前的最大耦合设置号可以获得当前的最大耦合设置号Utilityparametersget scalar data输入参数名选择 OK输入的耦合组号应是CP_MX+1 选择

26、OK65现在学习的是第65页，共80页加上电压励磁加上电压励磁Preprocloadsapply-voltage drop-on areas选择线圈区域（面积）选择线圈区域（面积）选择选择OK峰值电压66现在学习的是第66页，共80页沿模型边缘加通量平行边界条件沿模型边缘加通量平行边界条件Preprocapplyboundary-flux parl-on lines选择模型边缘上的全部线选择模型边缘上的全部线 衔铁组件施加力标志 Preprocapplyflagcomp.force 选择 OK67现在学习的是第67页，共80页选择分析类型，进行模拟选择分析类型，进行模拟Solunew anal

27、ysis 选取谐波分析选取谐波分析设置激励频率（设置激励频率（60 Hz）Solu time/frequencfreq&substps 选择 OK开始求解 Solusolve current ls选择 OK68现在学习的是第68页，共80页AC模拟实际上可得两组结果数据模拟实际上可得两组结果数据节点和单元的与激励同相的场量结果（实数解）节点和单元的与激励同相的场量结果（实数解）节点和单元的与激励相差节点和单元的与激励相差90度相位的场量结果（虚数解）度相位的场量结果（虚数解）读入虚数解读入虚数解Postprocby load step.选择 OK69现在学习的是第69页，共80页得到虚数解磁力

28、线得到虚数解磁力线（虚数部分场量为缺省条件（虚数部分场量为缺省条件)Postprocplot results2D flux lines在气隙和铜环附近的BSUM (总磁通密度)70现在学习的是第70页，共80页实数部分磁力线实数部分磁力线加载实数解结果加载实数解结果.Postprocby load step选择 OK71现在学习的是第71页，共80页在铜环和气隙区附近的BSUM 72现在学习的是第72页，共80页获取时间平均衔铁磁力获取时间平均衔铁磁力 Postprocelec&mag calccomp.force 选择 OK频率(Hz)由虚功法计算的力Maxwell应力张量法计算的力73现在

29、学习的是第73页，共80页确定屏蔽极铜环功率损失确定屏蔽极铜环功率损失选择铜环单元（材料号选择铜环单元（材料号5）Postprocelec&mag calcspower loss图示环内功率损失 Postprocplot resultselem table74现在学习的是第74页，共80页利用单元表ERES 选项，可观察到线圈直流电阻，该值贮存于序列号8内（见PLANE53单元的帮助文档）选择线圈区域（COIL组件）定义单元表ERES，选择ADDPostprocelement tabledefine table ADD选择 OK75现在学习的是第75页，共80页通过求和线圈全部单元的电阻通过求

30、和线圈全部单元的电阻ERES，得到总的电阻值，得到总的电阻值Postprocelement tabledefine tablesum of each item 这个通过单元表得到的电阻值与通过实常数定义的12欧姆差别很小76现在学习的是第76页，共80页利用利用V/I计算线圈终端阻抗，式中计算线圈终端阻抗，式中V和和I有实数和虚数两个分量，有实数和虚数两个分量，I对应于线圈节对应于线圈节点的点的CURR 自由度自由度.单位单位:安培安培(峰值峰值)选取线圈全部节点选取线圈全部节点为了正确地识别为了正确地识别CURR 自由度分量，重新读取虚数分量结果自由度分量，重新读取虚数分量结果Postpro

31、c-read results-by load step IMAGINARY选择 OK77现在学习的是第77页，共80页列出线圈激活节点虚数解中的列出线圈激活节点虚数解中的CURR自由度结果自由度结果Postproclist resultsnodal solution选择 OK求解结果标识78现在学习的是第78页，共80页读取实数解读取实数解.Postproc-read resultsby load step选择 OK 列出实数解的CURR结果 Postproclist resultsnodal solution (use CURR as before)实数解标识缺省79现在学习的是第79页，共80页由下列公式计算阻抗由下列公式计算阻抗 Z =Zreal+j Zimag Vreal=24*sqrt(2)Vimag=0(励磁电压只有实数分量励磁电压只有实数分量）Zimag =Vreal*Iimag/Imag Zreal =Vreal*Ireal/Imag Imag =(Ireal2+Iimag2)From the solution,Ireal=1.22 Iimag=2.04 ,Imag=5.66 Zimag =12.23 =2f L,so L=32.4 mH Zreal =7.31 80现在学习的是第80页，共80页