ANSYS电磁场分析指南第三章2-D谐波AC磁场分析.doc
《ANSYS电磁场分析指南第三章2-D谐波AC磁场分析.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《ANSYS电磁场分析指南第三章2-D谐波AC磁场分析.doc(50页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第三章-谐波()磁场分析3.1 什么是谐波磁场分析谐波效应来自于电磁设备和运动导体中的交流电(AC)和外加谐波电磁场,这些效应主要包括:涡流集肤效应涡流致使的能量损耗力和力矩阻抗和电感谐波分析的典型应用为:变压器、感应电机、涡流制动系统和大多数AC设备。谐波分析中中不允许存在永磁体。忽略磁滞效应。3.2 线性与非线性谐波分析对于低饱和状态,进行线性的时间-谐波分析时,可假设导磁率为常数。对于中高饱和条件,应考虑进行非线性的时间-谐波分析或时间-瞬态求解(第4章)。对于交流稳态激励的设备,在中等到高饱和状态,分析人员最感兴趣的要获得总的电磁力、力矩和功率损失,很少涉及实际磁通密度具体波形。在这种
2、情况下,可进行非线性时间-谐波分析,这种分析能计算出具有很好精度的“时间平均”力矩和功率损失,又比进行瞬态-时间分析所需的计算量小得多。非线性时间-谐波分析的基本原则是由用户假定或基于能量等值方法的有效B-H曲线来替代直流B-H曲线。利用这种有效B-H曲线,一个非线性瞬态问题能有效地简化为一个非线性时间-谐波问题。在这种非线性分析中,除了要进行非线性求解计算外,其它都与线性谐波分析类似。应该强调,在给定正弦电源时,非线性瞬态分析中的磁通密度B是非正弦波形。而在非线性谐波分析中,B被假定为是正弦变化的。因此,它不是真实波形,只是一个真实磁通密度波形的时间基谐波近似值。时间平均总力、力矩和损失是由
3、近似的磁场基谐波来确定,逼近于真实值。3.3 二维谐波磁场分析中要用到的单元在涡流区域,谐波模型只能用矢量位方程描述,固只能用下列单元类型来模拟涡流区。详细情况参见ANSYS单元手册,该手册以单元号为序排列。ANSYS理论参考手册也有进一步的讲述。表1. 2-D实体单元单元维数形状或特性自由度PLANE132-D四边形,4节点或三角形,3节点每节点最多4个:磁矢势(AZ)、位移、温度、或时间积分电势。PLANE532-D四边,8节点或三角形,6节点每节点最多4个:磁矢势(AZ)、时间积分电势、电流、或电动势降。表 2. 远场单元单元维数形状或特性自由度INFIN92-D线型,2节点磁矢势(AZ
4、)INFIN1102-D四边形,4个或8个节点磁矢势(AZ)、电势、温度表 3. 通用电路单元单元维数形状或特性自由度CIRCU124无6节点每个节点最多三个:电势、电流或电动势降3.4 创建2-D谐波磁场的物理环境正如ANSYS其他分析类型一样,对于谐波磁分析,要建立物理环境、建模、给模型区赋予属性、划分网格、加边界条件和载荷、求解、然后观察结果。2-D谐波磁分析的大多数步骤都与2-D静磁分析的步骤相似。本章只讨论与谐波分析相关的特殊步骤。2-D谐波磁分析采用与第2章“2-D静态磁场分析”同样的步骤来设置GUI选项、分析标题、单元类型和KEYOPT(关键选项)、单元坐标系、实常数和单位制。定
5、义材料性质时,使用在第2章中描述的方法,即:使用ANSYS材料库所定义的材料性质或ANSYS用户自己定义的材料性质。下面介绍对模型设置物理区域的某些准则:3.4.1 利用自由度来控制导体上的终端条件ANSYS程序提供几种选项来控制导体上的终端条件,在建模中,这些选项提供了足够的方便性。例如:线绕和块状导体、短路和开路情况、线路供电装置等,要模拟这些实体,执行下列内容:在导体区增加额外的自由度(DOF)赋予所需的实常数、材料性质和对自由度的特殊处理。单元类型和选项、材料性质、实常数、以及单元坐标系,都是实体模型的属性,用AATT和VATT命令或其等效的GUI路径指定。3.4.2 AZ选项由于没有
6、标量电势,即导体内电压降为0,固可通过设定AZ 自由度(DOF)来模拟短路条件的导体。3.4.3 AZVOLT选项AZVOLT选项通过在全域电场计算中引入电势来模拟具有各种终端情况的块状导体:EA/t V注:在ANSYS中,V由Vdt(时间积分电势)代替该选项通过允许控制其电场(VOLT),使用户可更方便地模拟开路、电流供电块导体和共端点多导体等情况。电位的单位为“伏秒”,其在ANSYS 中的自由度为 VOLT。在轴对称分析中,rVOLT。在平面或轴对称分析中,整个导体截面的是常数(即电压降只发生在出平面方向上),为了保证这一点,必须耦合各个导体区的节点:命令:CPGUI:Main Menu
7、Preprocessor Coupling /Ceqn /Couple DOFs由于所有节点的电压一样,进行耦合操作可减少未知数。3.4.4 AZCURR选项用AZCURR选项可模拟一个载压绞线圈。CURR自由度代表线圈中每匝电流。在线圈上加电压(加到所有线圈单元上)的方式是:命令:BFE,VLTGGUI:Main Menu Solution LoadsApply MagneticExcitation -Voltage drop-On Elements也可用BFA命令在实体模型的面上加电压降。用BFTRAN或SBCTRAN命令可以把施加在实体模型上电压降转换到有限元模型上。在绞线圈中不计算涡流
8、,因为绕线导线间假定为绝缘的。线圈参数用实常数描述,ANSYS程序利用这些实常数来计算线圈的电阻和电感。载压绞线圈只有用PLANE53和SOLID97单元模拟,且必须定义单元特定的实常数,以描述绞线圈导体。绞线圈区域内所有节点的CURR自由度必须要耦合,以确保采用一个公式来求解线圈中的电流。3.4.5 模型物理区域的特征和设置ANSYS程序提供了几个选择来处理在2D磁分析中导体上的终端条件,如右图图2带终端条件导体的物理区域所示。下面将对各种终端条件作简要介绍。块状导体短路条件自由度: AZ材料特性:mr (MURX), r(RSVX)注:涡流形成闭合回路,由于短路,导体中不存在电压降块状导体
9、开路条件自由度: AZ, VOLT材料特性:mr (MURX), r(RSVX)特殊特性:耦合VOLT自由度注:导体中不存在净电流,在轴对称分析中模拟有缺口的导体载流块导体DOFs: AZ, VOLT材料特性:mr(MURX), r(RSVX)特殊特性:耦合VOLT自由度,再给某个节点上加总电流(F,amps命令)注:假定由电流源发出的净电流为短路回流,该电流不受外界影响载压绞线圈DOFs: AZ, CURR材料特性:mr(MURX), r(RSVX)实常数:CARE, TUEN, LENG, DIRZ, FILL特殊特性:耦合CURR自由度,再用BFE或BFA命令加电压降(VLTG)注:只能
10、用PLANE53单元来建模,所加电压不受外界影响共地多导体自由度:AZ,VOLT材料性质:mr(MURX), r(RSVX)特殊特性:所有导体域节点电压自由度耦合到一个耦合节点集中注:用于模拟如端部效应能忽略的鼠笼转子等设备载流绞线圈DOFs: AZ材料特性:mr(MURX)特殊特性:没有涡流,直接加源电流密度JS(BFE、BFL或BFA命令)注:假定线圈中的电流为一恒定的交流电流,其值不受外界影响。电流密度可根据线圈匝数,每匝中的电流值和线圈横截面积来确定。电路供电绞线圈自由度:AZ,CURR,EMF材料性质:mr(MURX), r(RSVX)实常数:CARE,TURN,LENG,DIRZ,
11、FILL特殊特性:区域内耦合CURR和EMF自由度注:模拟由外电路(CIRCU124)单元供电绞线圈。详见ANSYS耦合扬分析指南的“电磁电路耦合”。电路供电块状导体自由度:AZ,CURR,EMF材料性质:mr(MURX), r(RSVX)实常数:CARE, LENG特殊特性:区域内耦合CURR和EMF自由度注:模拟由外电路(CIRCU124单元)供电块状导体。详见ANSYS耦合扬分析指南的“电磁电路耦合”。铁芯叠片DOFs: AZ材料特性:mr(MURX)或B-H曲线模拟可以忽略涡流的导磁材料,只要求AZ自由度。空气DOFs: AZ材料特性:mr(MURX=1)运动导体(速度效应)用PLAN
12、E53单元可模拟以恒定速度运动的导体的速度效应。详见本章和第2章中对速度效应的描述。3.4.6 速度效应在交流(AC)激励下,可以求解运动导体在某些特殊情况下的电磁场。对于静态、谐波和瞬态分析,速度效应都是有效的。第2章“2-D静态磁场分析”讨论了运动导体分析的应用例子和限制条件。对于谐波分析,速度效应只限于线性情况(不能有B-H曲线)。对单元的KEYOPT选项和实常数设置,运动导体2-D谐波分析步骤与2-D静态磁场分析完全类似。在谐波分析中,速度设置为常数,不正弦变化(与线圈和场激励不同)。在后处理中可计算磁雷诺数(Reynolds),磁雷诺数表征速度效应和问题的数值稳定性。其计算公式如下:
13、Mrevd/式中为导磁率,为电阻率,v为速度,d为导体单元特征长度(运动方向上)。磁雷诺数只在静态或瞬态分析时有意义。对于在相对小雷诺值时,运动方程才有效和准确,一般量级为1.0。较高雷诺数值时,求解精度随问题而比变化。除求解场之外,还能求出由于运动产生的导体电流(运动电流可在后处理器中获得)。3.5 建立模型,划分网格,赋予特性关于建模、给模型区域赋属性和划分网格的详细内容,可参见第二章。3.5.1 关于集肤深度电磁场在导体中的穿透深度是频率、导磁率和导电率的函数,当对场和焦耳热损失的计算精度要求较高时,在导体表面附近必须要划分足够细的有限元网格,以模拟这种集肤现象。通常,在集肤深度内至少要
14、划分一层或两层单元。趋肤深度可以按下式进行估算:这里,d是集肤深度(m),f是频率(Hz),m是绝对导磁率(H/m),s是导电率(S/m)。3.6 加边界条件和励磁载荷在谐波磁分析中,可将边界条件和载荷施加到实体模型上(关键点、线和面),也可以施加到有限元模型上(节点和单元)。给2D谐波分析加边界条件和载荷,使用与第2章“2-D静态磁场分析”中所述的完全相同的GUI路径和宏命令。对于一个谐波磁分析,可以定义三种类型的载荷步选择:动态选项、通用选项和输出控制。本手册第16章对这些载荷步选择有详细描述。3.6.1 使用PERBC2D宏命令使用PERBC2D宏,可对2-D分析自动定义周期性边界条件。
15、PERBC2D对两个周期对称面施加必要的约束方程或定义节点耦合。使用该宏命令的方式如下:命令:PERBC2DGUI:Main Menu Preprocessor Loads -loads-Apply -Magnetic-Boundary -Vector Poten-Periodic BCs在第11章 “磁宏”中对该宏的使用有详细描述。3.6.2 幅值、相位角和工作频率根据定义,谐波分析假定任何外加载荷都是随时间呈谐波(正弦)变化的,这样的载荷需要说明幅值(0到峰值)、相位角和工作频率。3.6.2.1 幅值所加载荷的最大值(0到峰值);3.6.2.2相位角相位角是载荷相对于参考值在时间上的落后(
16、或超前)量。在复平面(见图3“实部/虚部分量和幅值/相位角关系图”)中,相位角就是和实轴的夹角。只有存在多个不同相载荷时,才需用到相位角。(如三相电机分析)施加不同相的电流密度或电压时,在BF、BFE或BFK命令(或它们的等效菜单路径)中的相位(PHASE)区域,输入度数来表示各自的相位角。对于不同相的矢量位或电流段,在相应的加载命令(或等效菜单路径)的VALUE1和VALUE2区域中,分别输入复数载荷的实部和虚部分量。图3 “实部/虚部分量和幅值/相位角关系图”显示了如何计算实部和虚部分量。3.6.2.3 工作频率就是交流电的频率(单位Hz),可按如下定义:命令:HARFRQGUI:Main
17、 menuSolution-Load Step Opts-Time/Frequenc Freq and Supsteps3.6.3 给绞线型导体加源电流密度命令:BFE,JSGUI:Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic-ExcitationCurr Density也可用BFA命令对实体模型上的面加源电流密度。3.6.4 给块状导体加电流电流(AMPS)是节点电流载荷,仅用于施加给带有强加电流的块导体区域。在2-D分析中,这种载荷要求PLANE13单元和PLANE53单元的自由度设置为AZ和VOLT。电流表示通过导体的总的电流值,仅仅用于
18、2-D平面或轴对称模型分析。要想给具有集肤效应的横截面上加均匀电流,必须对横截面上的VOLT自由度进行耦合:命令:CPGUI:Main MenuPreprocessorCoupling/CeqnCouple DOFs在2-D平面或轴对称模型中,选择集肤效应区域内的所有节点,并耦合其VOLT自由度后,再给横截面上某一个节点加电流:命令:FGUI:Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Electric-Excitation-Impressed Curr-On Nodes给2-D模型施加强加电流的另一种方法是加均匀电流密度(JS体载荷),这由通过集肤效应区的总
19、的强加电流除以横截面积得到:命令:BF,BFEGUI:Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic- Excitation-Curr Density-On Elements也可用BFL和BFA命令分别对实体模型上的线和面加源电流密度。用BFTRAN或SBCTRAN命令可以把施加在实体模型上源电流密度转换到有限元模型上。3.6.5 给绞线圈加电压载荷这种载荷定义绞线圈上的总电压降(幅值和相位角),使用MKS单位制,只能使用带有AZ,CURR自由度的PLANE53单元。按照如下方式加电压降载荷:命令:BFEGUI:Main MenuPreproce
20、ssorLoads-Loads-Loads-Apply-Magnetic-Excitationvoltage drop也可用BFA命令对实体模型上的面加电压降。用BFTRAN或SBCTRAN命令可以把施加在实体模型上电压降转换到有限元模型上。要想得到正确的解,必须将线圈所有节点的CURR自由度耦合起来(否则将导致求解错误),因为CURR是代表线圈中每匝的电流值,是唯一的。3.6.6 加标志3.6.6.1 力标志用ANSYS 的FMAGBC宏命令标记一个物体,就可以在求解器和后处理器中对它进行力或力矩计算。此宏自动加虚位移和Maxwell面标志(后面讨论)。物体必须至少被一层空气单元包围,并被定
21、义成一个部件,然后按如下方式执行加载:命令:FMAGBC,CnameGUI:Main MenuPreprocessorLoads-loads-Apply-Magnetic-FlagComp. Force/TorqMain MenuSolution-loads-Apply - Magnetic-FlagComp. Torque/Torq在POST1后处理器中,用FMAGSUM和TORQSUM宏可分别对力和力矩求和。3.6.6.2无限远表面标志(INF)这并不是实际载荷,但有限元计算要求把无限远单元的指向开放区域的外表面作上此标志。3.6.7 其他载荷3.6.7.1 Maxwell面(MXWF)M
22、axwell面不是真正的载荷,它只是给模型中将要进行力和力矩计算的面加标志。一般加给邻近界面(空气/铁区分解面)的一层空气单元加Maxwell面标志,ANSYS(用Maxwell应力张量的方法)计算出力后再将结果贮存到这些空气单元中,再在POST1后处理器中对它们求和而得到施加在该部分上的合力。同时可给多个部件加Maxwell面标志,但这些部件不能共用同一层空气单元。3.6.7.2 磁虚位移(MVDI)磁虚位移标志不是真正意义上的载荷,它只是给模型中将要进行力和力矩计算的部件加标志。和Maxwell面的作用相同,只不过用的是虚功方法。在感兴趣区的所有节点上说明MVDI=1.0,在邻近的空气区节
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- ANSYS 电磁场 分析 指南 第三 谐波 AC 磁场
链接地址:https://www.31doc.com/p-2507976.html