电磁场基础知识第二章.ppt

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1、电磁场基础知识第二章电磁场基础知识第二章现在学习的是第1页，共52页求解模型的单位制求解模型的单位制:SI分析中使用的单位制为国际单位制分析中使用的单位制为国际单位制:S I力力(牛顿）牛顿）能量能量(焦耳焦耳）功率（瓦）功率（瓦）长度（米）长度（米）时间（秒）时间（秒）质量（公斤）质量（公斤）磁通密度磁通密度B（特斯拉）（特斯拉）磁场强度磁场强度H（安培（安培/米）米）电流（安培）电流（安培）电阻率电阻率（欧姆（欧姆-米）米）电压电压V（伏）（伏）电感电感L（亨）（亨）磁导率磁导率r(亨亨/米）米）电容（法拉）电容（法拉）2现在学习的是第2页，共52页基本关系式基本关系式:B=H,其中其中

2、=r 0 可为单一值（线性）可为单一值（线性）各相同性或正交各向异性各相同性或正交各向异性 Preprocmaterial propsisotropic平面属性要求赋予材料平面属性要求赋予材料质性号质性号r 相对磁导率相对磁导率3现在学习的是第3页，共52页可为非线性，以模拟饱和状态可为非线性，以模拟饱和状态 BH曲线数据能从曲线数据能从ANSYS55材料库中获得材料库中获得缺省的缺省的BH材料库在材料库在ansys55 目录下的目录下的matlib子目录中子目录中:Preproc.material propsmaterial librarylibrary path通过指定路径可在其它位置得到

3、材料数据通过指定路径可在其它位置得到材料数据4现在学习的是第4页，共52页BH 数据可用如下方式输入数据可用如下方式输入Preprocmaterial propsmaterial libraryimport library 选择材料选择材料选择材料属性选择材料属性选择选择 OK5现在学习的是第5页，共52页BH 数据生成图形和列表显示数据生成图形和列表显示表示在列表表示在列表显示中的数显示中的数据点号据点号材料号材料号6现在学习的是第6页，共52页数据也可列成表格数据也可列成表格.这种表格也能人工制成这种表格也能人工制成Utilitylistpropertiesdata tables选择选择O

4、K7现在学习的是第7页，共52页BH曲线输入指南曲线输入指南数据点数据点(0,0)不要输入不要输入定义曲线弯曲处的数据点要密（见定义曲线弯曲处的数据点要密（见M54的数据点）的数据点）BH曲线要避免生成曲线要避免生成S形形通常通常M钢定义钢定义BH数据到数据到8,000 A/m数据需要外推数据需要外推这些曲线的这些曲线的值通常需要附加大量的数据以使得值通常需要附加大量的数据以使得值由大逐渐变到最终斜率值由大逐渐变到最终斜率最终斜率为空气值最终斜率为空气值(0)8现在学习的是第8页，共52页BH 数据输入数据输入应用实例应用实例:400系列不锈钢输入如下数据系列不锈钢输入如下数据 H(A/m)B

5、(T)790.0.77 1575.1.10 2365.1.30 7875.1.50 15750.1.56 31500.1.63 47245.1.66 78740.1.70 9现在学习的是第9页，共52页首先定义数据表，然后把首先定义数据表，然后把BH数据输入数据表中数据输入数据表中Preproc material propsdata tablesdefine/activate平面属性要求赋予材料号平面属性要求赋予材料号选择选择OK10现在学习的是第10页，共52页利用编辑激活表格输入利用编辑激活表格输入BH数据数据 Preproc material propsdata tablesedit a

6、ctive输入数据后，用鼠标点取输入数据后，用鼠标点取 FileApply/Quit图示图示:Preprocmaterial propsdata tablesgraph 列表列表:Preprocmaterial propsdata tableslist11现在学习的是第11页，共52页实际求解需要用到实际求解需要用到 d/dB2 为避免粗劣的为避免粗劣的v=Yu 条件曲线，条件曲线，-B2 应该是单调的。应该是单调的。Utilityplotdata tablesgraph NU vs.B*212现在学习的是第12页，共52页把该曲线数据放置在库内把该曲线数据放置在库内，以备将来使用。，以备将来

7、使用。Preproc.material propsmaterial libraryexport material选择文件名选择文件名选取生成的选取生成的BH 数据的材料属性数据的材料属性13现在学习的是第13页，共52页应用实例应用实例:轴对称直流致动器轴对称直流致动器课题描述课题描述轴对称轴对称线圈为直流供电线圈为直流供电衔铁居中但悬空在定子上方。衔铁居中但悬空在定子上方。分析顺序分析顺序用用axis2d宏建模宏建模完成建模后，加边条件完成建模后，加边条件求解求解后处理后处理力力磁动势磁动势误差范数误差范数电流电流磁力线磁力线路径图示路径图示能量能量电感电感“气隙气隙”(mm)“线圈线圈”部

8、件部件“衔铁衔铁”部件部件材料号材料号5(同衔铁同衔铁)14现在学习的是第14页，共52页励磁励磁 直流施加到线圈直流施加到线圈:3 安培安培性质性质衔铁衔铁/定子定子:上述上述BH 曲线曲线线圈线圈:300 匝匝,26线径，线径，r=1空气空气:r =1 单位单位:毫米毫米(mm)15现在学习的是第15页，共52页对于大多数应用，通常指定电压，线圈电流是算出来的对于大多数应用，通常指定电压，线圈电流是算出来的.26线规直径线规直径(Dw)=0.404 mm (在在20摄氏度下摄氏度下)铜电阻率铜电阻率 ()=17.14 E-9 -m（在（在20摄氏度下）摄氏度下）匝数匝数(N)=300线圈中

9、径为线圈中径为8 mm(Rmid)均匀填充圆线圈的电阻为：均匀填充圆线圈的电阻为：R=16000 N Rmid/Dw2 R =4.03对于静态分析，对于静态分析，12 V 电压相应的电流为电压相应的电流为2.98安，本分析采用安，本分析采用3安。安。16现在学习的是第16页，共52页参数化建模需要：参数化建模需要：参数参数GAP必须定义必须定义 在命令行输入在命令行输入 gap=.5 并回车并回车 点取点取OK选择分网密度选择分网密度Preprocsize cntrlbasic17现在学习的是第17页，共52页axis2s宏生成模型宏生成模型衔铁单元部件衔铁单元部件ARMATURE线圈面积参数

10、线圈面积参数ACOND线圈单元部件线圈单元部件 COIL 在在ANSYS命令窗口输入命令窗口输入axis2s并回车，以建立模型并回车，以建立模型18现在学习的是第18页，共52页材料号材料号 1为空气为空气完善边界条件完善边界条件通量平行边界条件通量平行边界条件Preprocloadsapplyboundary-flux par l-lines选择模型边界上的所有线选择模型边界上的所有线 19现在学习的是第19页，共52页如下方式定义材料号如下方式定义材料号 1（自由空间磁导率）（自由空间磁导率）Preprocmaterial propsisotropic选择选择OK选择选择OK20现在学习的

11、是第20页，共52页给线圈平面加载线圈电流给线圈平面加载线圈电流 Preprocloadsapply excitation-current density-areas选择线圈平面选择线圈平面 选择选择 OK21现在学习的是第21页，共52页给衔铁加力边界条件标志给衔铁加力边界条件标志 PreprocessorLoadsApply-Magnetic-FlagComp Force选择选择 OK用不同的方法计算力，故加载两种标志用不同的方法计算力，故加载两种标志Maxwell 应力张量应力张量虚功虚功 选择选择 ARMATURE22现在学习的是第22页，共52页选择所有几何和有限元实体选择所有几何和

12、有限元实体进行模拟进行模拟Solutionelectromagneticopt&solve选择选择 OK（采用缺省设置进行求解）（采用缺省设置进行求解）请确认请确认23现在学习的是第23页，共52页磁力线磁力线Postprocplot results2D flux lines注意漏磁位置注意漏磁位置线圈区线圈区定子上角定子上角定子与衔铁交界位置定子与衔铁交界位置24现在学习的是第24页，共52页计算力计算力Postprocelec&mag calccomp.force轴对称模型只产生垂直方向力轴对称模型只产生垂直方向力定义单元表项定义单元表项 FVW_Y 虚功虚功Y方向力方向力 FMX_Y M

13、axwell应力应力Y方向力方向力环状模型力总和环状模型力总和选择选择 OK25现在学习的是第25页，共52页用与衔铁邻接的空气单元来计算衔铁力，并显示用与衔铁邻接的空气单元来计算衔铁力，并显示首先选择空气单元首先选择空气单元1)首先选择空气单元首先选择空气单元-材料属性为材料属性为1 选择选择 Apply2)用用 Num/Pick从中选取邻近衔从中选取邻近衔铁面空气单元铁面空气单元用框选取用框选取26现在学习的是第26页，共52页虚功方法计算垂直力并用等值图显示虚功方法计算垂直力并用等值图显示 Postprocplot resultselem table在气隙中选取空在气隙中选取空气单元气单

14、元选择选择OK27现在学习的是第27页，共52页用路径图示选项用路径图示选项(PATH)能获得沿衔铁面的力的分布图能获得沿衔铁面的力的分布图必须定义路径必须定义路径 Postprocpath operationsdefine pathby nodes点取节点点取节点 2给一个任意的名字给一个任意的名字增加沿路径的数据采样点的数量增加沿路径的数据采样点的数量点取节点点取节点 1选择选择 OK28现在学习的是第28页，共52页路径定义信息如下路径定义信息如下路径内的结果插值是在总体坐标系下（与柱坐标系或其它局部坐标系相比）路径内的结果插值是在总体坐标系下（与柱坐标系或其它局部坐标系相比）路径由直线

15、组成路径由直线组成29现在学习的是第29页，共52页单元表项单元表项FVW_Y 中的力必须插值到路径上中的力必须插值到路径上 Postprocpath operationsmap onto path 任意名任意名 选择选择 ETAB.FVW-Y选择选择OK30现在学习的是第30页，共52页将将FVW_Y沿路径显示沿路径显示 Postprocpath operations-plot path items-on geometry路径图示迭加在几何体上路径图示迭加在几何体上已定义已定义将路径显示图缩放到一个较将路径显示图缩放到一个较好的程度好的程度选择选择 OK31现在学习的是第31页，共52页节点

16、节点作用在衔铁上的垂直方向力的路径图示作用在衔铁上的垂直方向力的路径图示32现在学习的是第32页，共52页离路径节点节点离路径节点节点1的的距离距离 路径上的力路径上的力(F_Y)也能打印输出也能打印输出 Postprocpath operationslist path items选择选择OK33现在学习的是第33页，共52页线圈线圈Lorentz力（力（J x B）选择线圈区域并定义为一个部件。选择线圈区域并定义为一个部件。Utilityselectcomp/assemblyselect comp/assembly 选择线圈选择线圈 为为Lorentz 力定义单元表力定义单元表Postpro

17、element tabledefine table选择选择 34现在学习的是第34页，共52页任意名任意名作用于整个圆环上的作用于整个圆环上的 X 方方向的向的Lorentz 力力选择选择 OK选择选择 Add35现在学习的是第35页，共52页 线圈线圈X方向方向 Lorentz 力的等值图力的等值图 Postprocelement tableplot elem table选择选择 OK36现在学习的是第36页，共52页作用在线圈单元上的总力作用在线圈单元上的总力Postproelement tablesum of each item 该操作作用于全部激活单元上该操作作用于全部激活单元上 相当

18、于相当于360圆周上的受力圆周上的受力 力单位为牛顿力单位为牛顿:N37现在学习的是第37页，共52页根据节点磁场值差异估计误差，且作为单元表数据贮存根据节点磁场值差异估计误差，且作为单元表数据贮存Postpromag&elec calc error eval B_ERR 单位单位(T)H_ERR 单位单位(Amps/m)BN_ERR 和和HN_ERR 由最大值归一化由最大值归一化38现在学习的是第38页，共52页 BN_ERR 能用磁力线图进行等值显示能用磁力线图进行等值显示 图示图示 BN_ERR单元表项单元表项 Postproelement tableplot elem table 选择

19、选择 OK 激活激活NOERASE 选择选择 Utilityplot cntrlserase options39现在学习的是第39页，共52页图示磁力线图示磁力线Postproplot results2D flux lines选择选择OK40现在学习的是第40页，共52页线性和非线性材料的共能计算线性和非线性材料的共能计算 Postproelec&mag calccoenergy选择选择OK41现在学习的是第41页，共52页也能计算贮能也能计算贮能Postprocelec&mag calcenergy注：铁的共能大约是贮能的注：铁的共能大约是贮能的8倍，表示铁的饱和效应所致倍，表示铁的饱和效应

20、所致42现在学习的是第42页，共52页铁单元的磁导率能用等值图显示铁单元的磁导率能用等值图显示Postproelement table 选择选择ADDplane53单元在线帮助单元在线帮助 选择选择 OK 这是绝对磁导率这是绝对磁导率43现在学习的是第43页，共52页为了获得相对磁导率，单元表应乘以为了获得相对磁导率，单元表应乘以MUZ系数系数将自由空间磁导率赋予参数将自由空间磁导率赋予参数:MUZ=12.57x10-7Postproelement tableadd items用已有名字用已有名字自由空间磁导率参数自由空间磁导率参数不需要第二个单不需要第二个单元表项元表项选择选择OK44现在学

21、习的是第44页，共52页用等值图显示相对磁导率用等值图显示相对磁导率MUR Postproelement tableplot elem table注意饱和区注意饱和区选择选择t OK45现在学习的是第45页，共52页 沿闭合线计算磁动势沿闭合线计算磁动势 MMF 确保整个模型都被激活确保整个模型都被激活 必须定义围绕线圈的路径必须定义围绕线圈的路径 Postproelec&mag calcdefine pathby nodes选取如图所示的选取如图所示的7个节点，可个节点，可从任一节点开始从任一节点开始路径的最终节点应与起始路径的最终节点应与起始节点是同一个节点是同一个跨越空气隙时，气隙两边的

22、铁边界上跨越空气隙时，气隙两边的铁边界上各选取一个节点各选取一个节点46现在学习的是第46页，共52页完成路径定义完成路径定义由于铁与空气的界面由于铁与空气的界面处处H值不连续，故应增加值不连续，故应增加采样点的数目采样点的数目选择选择OK47现在学习的是第47页，共52页绕闭合回线计算绕闭合回线计算MMF Postproelec&mag calcMMF 选择选择 OKMMF正负号由右手定则决定，路径的反时针方向与线圈电流的方向相反（对于轴正负号由右手定则决定，路径的反时针方向与线圈电流的方向相反（对于轴对称模型，正电流方向为进行平面方向）对称模型，正电流方向为进行平面方向）48现在学习的是第

23、48页，共52页为了确定铁芯饱和程度，沿定子的中间部分定义一个路径并计算为了确定铁芯饱和程度，沿定子的中间部分定义一个路径并计算MMF选取节点选取节点 1选取节点选取节点2MMF=-384 A-t49现在学习的是第49页，共52页输入的总安匝数为输入的总安匝数为900，铁芯的中间部位有，铁芯的中间部位有384安匝，也就是空气隙中只有安匝，也就是空气隙中只有519安匝（忽略安匝（忽略其余铁芯中的磁动势）其余铁芯中的磁动势）如果如果384安匝中的大部分都在空气隙中，磁力会有多大？对于本问题，电磁力至少会安匝中的大部分都在空气隙中，磁力会有多大？对于本问题，电磁力至少会增加增加2倍。倍。可用另一种方

24、法显示这一点：将铁芯的磁导率设为可用另一种方法显示这一点：将铁芯的磁导率设为1000，进行线性求解，进行线性求解评述评述50现在学习的是第50页，共52页检查边界条件的正确与否非常重要检查边界条件的正确与否非常重要模型边界磁力线的检查模型边界磁力线的检查通量平行（用磁力线图检查）通量平行（用磁力线图检查）通量垂直（用磁力线图检查）通量垂直（用磁力线图检查）电流观察电流观察选择线圈组件选择线圈组件 Postproelec&mag calccurrent选择选择OK51现在学习的是第51页，共52页对于线性系统对于线性系统:Postproelec&mag calcTerminal par 对于非线性系统一两种理论选项对于非线性系统一两种理论选项割线定义割线定义增量定义增量定义简易割线计算简易割线计算利用共能利用共能(C)，L=2 Ci2，仿照电机计算仿照电机计算更精确的方法更精确的方法:LMATRIX 宏宏 Solumagneticinductance见帮助文档中的说明和实例见帮助文档中的说明和实例电感计算电感计算52现在学习的是第52页，共52页