ansys电磁分析第三章-1.ppt

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1、第三章第三章第第1节节2-D交流和瞬态分析交流和瞬态分析交流模拟的基本概念交流模拟的基本概念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角(度度)励磁电压励磁电压(V)电流密度电流密度(A/m2)2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通量平行条件通量平行条件通量垂直条件通量垂直条件绞线圈绞线圈二维轴对称有限元模型二维轴对称有限元模型电流密度电流密度:1E6 A/m2 频率频率:100Hz导电杆导电杆4二种求解结果二种求

2、解结果:实数解实数解:线圈励磁相位线圈励磁相位0度度虚数解：相位差虚数解：相位差90度度实数解实数解虚数解虚数解5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：执行动画文件：acaz.avi观察场动画观察场动画6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执行动画文件acjt.avi，观察电流动画，观察电流动画7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

3、重新分布在大导体内电流会重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中心杆外半径杆外半径(m)9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=电导率电导率=1/=

4、电阻率电阻率 (Ohm-m)f=频率频率(Hz)10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（与图形相对应，从外半径（7.7mm）向内向内2.3mm，由于轴对称形状的影由于轴对称形状的影响，电流响，电流衰减值大于表面电流值的衰减值大于表面电流值的1/e (2.71)。11 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)模拟施加到模拟施加到线圈线

5、圈/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(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（涡流效应以非均匀的方式重新分布电流）以非均匀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块导体块导体: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

6、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典型应用:变压器中的大导体变压器中的大导体鼠笼电机导电杆鼠笼电机导电杆感应加热感应加热 14 BSUM(T)MX电流密度幅值电流密度幅值(A/m2)MX导电杆导电杆在绞线圈内的圆柱形导电杆上能观察到涡流效应在绞线圈内的圆柱形导电杆上能观察到涡流效应15(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?三维导体终端连接三维导体终端连接二维模型二维模型16端部短路条件端部短路条件不用任何对称条件，只模拟导体一部分不用任何对称条件

7、，只模拟导体一部分:三维导体终端连接三维导体终端连接部分导体不建模部分导体不建模二维模型二维模型17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三维导体在终端开路二维模型二维模型18 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如何模拟叠片铁芯如何模拟叠片铁

8、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，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。迭层系数效应包含在磁导率数值内。20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)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

9、料厚度叠片叠片磁通方向磁通方向21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磁通方向叠片叠片22应用应用:电机槽内导体电机槽内导体问题描述问题描述平面平面导体为电流供电导体为电流供电导体为块导体导体为块导体 导体和空气都在磁导率无限大导体和空气都在磁导率无限大的槽内的槽内分析顺序分析顺序建模建模加边界条件加边界条件执行模拟执行模拟后处理后处理磁力线磁力线功率损失功率损失 导体导体空气空气铁铁23性质性质导体导体:r=1 =17.1

10、 -mm空气空气: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初始相位为相位为0度度空气空气铁铁 导体导体 24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 自由自由度耦合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导体为导体为2号单元类型号单元类型平面平面 选择选择 OK25建立空气材料建立空气材料(MURX=1)性质（性质（1号材料）号材料）Pr

11、eprocmaterial 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选择选择 OK26为建模输入参数为建模输入参数A=6.45 mmB=8.55 mmC=8.45 mmD=18.85 mmE=8.95 mm用二者之一用二者之一1)窗口命令窗口命令 2)Utilityparameterscalar输入参数后选择输入参数后选择Accept 27选择选择 Apply建立导体上半部份建立导体上半部份建立导体下半部份建立

12、导体下半部份Preproc createrectangleby dimensions把上下导体连成一个平面把上下导体连成一个平面Preprocoperateaddareas Pick All28建空气间隙建空气间隙 利用利用glue 操作连接两个平面操作连接两个平面 Preprocoperateglueareas 选择选择 Pick All 选择选择 OK29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)选择选择 OK30生成网格生成网格Prepr

13、ocmesh-areas-free mesh选择选择Pick All打开材料号显示打开材料号显示31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进行耦合进行耦合Preproccoupling/ceqncouple DOFs耦合显示符号耦合显示符号主节点主节点选择选择 OK33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Prep

14、rocoperatescaleareas 选择选择 OK35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选择谐波分析类型 Solutionnew analysis(选择选择Harmonic)36设置分析的交变频率设置分析的交变频率Solutiontime/frequencfreq&substeps终止频率：允许模拟终止频率：允许模拟多个频率多个频率多个频率模拟时，确保相同频率激励多个频率模

15、拟时，确保相同频率激励确定（模拟）中间频率分段数确定（模拟）中间频率分段数37 进行模拟进行模拟UtilityselecteverythingSolutioncurrent LS 选择选择 OK38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选择选择 OK39电流分布电流分布选择导体选择导体 Postprocelec&mag calccurrent对于实数解对于实数解磁力线图示磁力线图示Postprocplot results2D flux lines40利单元表数据利单元表数据JT（实数解）看电流等值

16、图实数解）看电流等值图Postprocplot resultselem table41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选择选择 OK42磁力线图示磁力线图示Postprocplot results2D flux lines电流分布电流分布选择导体选择导体 Postprocelec&mag calccurrent虚数解虚数解43Postprocplot resultselem table(虚数解虚数解)选择选择 OK44计算导体中的功率损失计算导体中的功率损失 Postprocelec&mag calcp

17、ower loss功率损失为单位导体长度功率损失为单位导体长度结果以参数方式贮存，可用命令结果以参数方式贮存，可用命令 Utilityparameterscalar来观察来观察45图示功率损失图示功率损失Postprocplot resultselem table (PLOSSD)选择选择 OK46应用实例应用实例:带圆环的交流致动器带圆环的交流致动器例题描述例题描述轴对称轴对称加载电压加载电压绞线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

18、Z=V/I =Re+jRi47Units: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物理区域描述物理区域描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利用利用a

19、csolen.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欧姆的线欧姆的线圈圈400 匝匝50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

20、料号材料号3Shading ring51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确定线圈单元类型选项确定线圈单元类型选项 Preprocelement typeadd/edit/dele选择选择 OK选择选择 Options53空气空气定子定子衔铁衔铁线圈线圈屏蔽圆环屏蔽圆环证实材料性质证实材料性质54建立电阻为建立电阻为12欧姆、欧姆、400匝的轴对称匝的轴对称线圈的实常数数据线圈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:

21、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（不包括绝铜线总截面积（不包括绝缘层）缘层）单位单位:m255将面积输入参数将面积输入参数ACOND Utilityparametersget scalar选择选择 OK求得线圈的截面积求得线圈的截面积选择线圈平面选择线圈平面计算线圈截面积计算线圈截面积Preprocoperatecalc geom itemsof areasOK 56输入参数名输入参数名选择选择 OK由由Utilityparametersscalar菜单证菜单证实参数实参数57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

22、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 =.17241E-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 =58Utilityparametersget scalar选择选择 OK选择选择 OK输入参数名输入参数名59选择选择 Accept线圈填充系数线圈填充系数CF由由Utilityparameters菜单计算菜单计算许多致动器设计都在同一窗口

23、并联多个线圈，如果只对一个线圈进行模拟，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假设线径和匝数已选定（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为线圈建立为线圈建立4号实常数号实常数Preprocreal constants选择选择 Add 选择选择 O

24、K62输入线圈实常数数值，输入线圈实常数数值，选择选择 OK应用下列菜单列出实常数应用下列菜单列出实常数 Utilitylistpropertiesall real constants63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，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）流进线圈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选择选择 OK必须是一个新的必须是一个新的设置参数号设置参数号64利用利用APDL 可以

25、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输入参数名输入参数名选择选择 OK输入的耦合组号应输入的耦合组号应是是CP_MX+1 选择选择 OK65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峰值电压峰值电压66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衔铁组件

26、施加力标志 Preprocapplyflagcomp.force选择选择 OK67选择分析类型，进行模拟选择分析类型，进行模拟Solunew analysis 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 选择选择 OK开始求解开始求解 Solusolve current ls选择选择 OK68AC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

27、量结果（虚数解）读入虚数解读入虚数解Postprocby load step.选择选择 OK69得到虚数解磁力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在气隙和铜环在气隙和铜环附近的附近的BSUM (总磁通密度总磁通密度)70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选择选择 OK71与电压激励同项的场量结果（实数解）与电压激励同项的场量结果（实数解）在铜环和气在铜环和气隙区附近的隙区附近的BSUM 72获取时间平均衔铁磁力获取时间平均衔铁磁力 Po

28、stprocelec&mag calccomp.force选择选择 OK频率频率(Hz)由虚功法计算的力由虚功法计算的力Maxwell应力张量法计算的力应力张量法计算的力73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图示环内功率损失图示环内功率损失 Postprocplot resultselem table74利用单元表利用单元表ERES 选项，可观察到线圈直流电阻，该值贮存于序列号选项，可观察到线圈直流电阻，该值贮存于序列号8内内（见（见PLANE53单元的帮助文档）单元的帮助文档

29、）选择线圈区域（选择线圈区域（COIL组件）组件）定义单元表定义单元表ERES，选择选择ADDPostprocelement tabledefine table ADD选择选择 OK75通过求和线圈全部单元的电阻通过求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欧姆差别很小欧姆差别很小76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

30、分量，I对对应于线圈节点的应于线圈节点的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Postproc-read results-by load step IMAGINARY选择选择 OK77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选择选择 OK求解结果标识求解结果标识78读取实数解读取实数解.Postproc-read resultsby loa

31、d step选择选择 OK 列出实数解的列出实数解的CURR结果结果 Postproclist resultsnodal solution (use CURR as before)实数解标识缺省实数解标识缺省79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