ANSYS电磁场分析指南.pdf
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1、ANSYS 电磁场分析指南 ANSYS 电磁场分析指南(共17 章) ANSYS 电磁场分析指南第一章磁场分析概述: ANSYS 电磁场分析指南第二章2-D 静态磁场分析: ANSYS 电磁场分析指南第三章-谐波()磁场分析: ANSYS 电磁场分析指南第四章-瞬态磁场分析: ANSYS 电磁场分析指南第五章-静态磁场分析(标量法) : ANSYS 电磁场分析指南第六章-静态磁场分析(棱边元方法): ANSYS 电磁场分析指南第七章-谐波磁场分析(棱边单元法): ANSYS 电磁场分析指南第八章-D 瞬态磁场分析(棱边单元法): ANSYS 电磁场分析指南第九章3-D 静态、谐波和瞬态分析(节
2、点 法) : ANSYS 电磁场分析指南第十章高频电磁场分析: ANSYS 电磁场分析指南第十一章磁宏: ANSYS 电磁场分析指南第十二章远场单元: ANSYS 电磁场分析指南第十三章电场分析: ANSYS 电磁场分析指南第十四章静电场分析( h 方法) : ANSYS 电磁场分析指南第十五章静电场分析( P 方法) : ANSYS 电磁场分析指南第十六章电路分析: ANSYS 电磁场分析指南第十七章其它分析选项和求解方法: 第一章磁场分析概述 1.1 磁场分析对象 利用 ANSYS/Emag 或 ANSYS/Multiphysics 模块 中的电磁场分析功能, ANSYS 可分析计算下列的
3、 设备中的电磁场,如: 电力发电 机磁带及磁盘驱动器 变压 器波导 螺线管传动 器谐振腔 电动 机连接器 磁成像系 统天线辐射 图像显示设备传感 器滤波器 回旋加速器 在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为: 磁通密度能量损耗 磁场强度磁漏 磁力及磁矩 S- 参数 阻抗品质因子Q 电感回波损耗 涡流本征频率 存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分 析的磁场。 1.2ANSYS如何完成电磁场分析计算 ANSYS 以 Maxwell 方程组作为电磁场分析的出 发点。有限元方法计算的未知量(自由度)主要 是磁位或通量, 其他关心的物理量可以由这些自 由度导出。根据用户所选择的单元类型和单元选 项的
4、不同,ANSYS 计算的自由度可以是标量磁位、 矢量磁位或边界通量。 1.3 静态、谐波、瞬态磁场分析 利用 ANSYS 可以完成下列磁场分析: 2-D 静态磁场分析, 分析直流电 (DC)或永磁 体所产生的磁场, 用矢量位方程。 参见本书“二 维静态磁场分析” 2-D 谐波磁场分析, 分析低频交流电流 (AC) 或交流电压所产生的磁场, 用矢量位方程。 参见 本书“二维谐波磁场分析” 2-D 瞬态磁场分析,分析随时间任意变化的 电流或外场所产生的磁场,包含永磁体的效应, 用矢量位方程。 参见本书“二维瞬态磁场分析” 3-D 静态磁场分析,分析直流电或永磁体所 产生的磁场, 用标量位方法。 参
5、见本书“三维静 态磁场分析(标量位方法)” 3-D 静态磁场分析,分析直流电或永磁体所 产生的磁场, 用棱边单元法。 参见本书“三维静 态磁场分析(棱边元方法)” 3-D 谐波磁场分析,分析低频交流电所产生 的磁场,用棱边单元法。 建议尽量用这种方法求 解谐波磁场分析。 参见本书“三维谐波磁场分析 (棱边元方法)” 3-D 瞬态磁场分析,分析随时间任意变化的 电流或外场所产生的磁场, 用棱边单元法。 建议 尽量用这种方法求解谐波磁场分析。参见本书 “三维瞬态磁场分析(棱边元方法)” 基于节点方法的3-D 静态磁场分析,用矢量 位方法。参见“基于节点方法的3-D 静态磁场分 析” 基于节点方法的
6、3-D 谐波磁场分析,用矢量 位方法。参见“基于节点方法的3-D 谐波磁场分 析” 基于节点方法的3-D 瞬态磁场分析,用矢量 位方法。参见“基于节点方法的3-D 瞬态磁场分 析” 1.4 关于棱边单元、标量位、矢量位方法的比较 什么时候选择 2D模型,什么时候选择 3D 模型?标量位方法和矢量位方法有何不同?棱 边元方法和基于节点的方法求解3-D 问题又有 什么区别?在下面将进行详细比较。 1.4.12-D 分析和 3-D 分析比较 3-D 分析就是用 3-D 模型模拟被分析的结构。 现实生活中大多数结构需要3-D 模型来进行模 拟。 然而 3-D 模型对建模的复杂度和计算的时间 都有较高要
7、求。所以,若有可能,请尽量考虑用 2-D 模型来进行建模求解。 1.4.2 什么是磁标量位方法? 对于大多数3-D 静态分析请尽量使用标量位 方法。此方法将电流源以基元的方式单独处理, 无需为其建立模型和划分有限元网格。由于电流 源不必成为有限元网格模型中的一部分,建立模 型更容易。标量位方法提供以下功能: 砖型(六面体)、楔型、金字塔型、四面体 单元。 电流源以基元的方式定义(线圈型、杆型、 弧型) 可含永久磁体激励 求解线性和非线性导磁率问题 可使用节点偶合和约束方程 此外,标量位方法中电流源建模简单,因为用 户只需在合适的位置施加电流源基元(线圈型、 杆型等)就可以模拟电流对磁场的贡献。
8、 1.4.3 什么是磁矢量位方法? 矢量位方法( MVP )是 ANSYS 支持的两种基于 节点的方法中的一种 (标量位法是另一种基于节 点的方法)。 这两种方法都可用于求解3-D 静态、 时谐、瞬态分析。 矢量位方法中的每个节点的自由度要比标量 位方法多:因为它在X、Y和 Z 方向分别具有磁 矢量位AX 、AY 、AZ 。在载压或电路耦合分析中 还引入了另外三个自由度: 电流(CURR) ,电压降 (EMF)和电压 (VOLT)。2-D 静态磁分析必须采用 矢量位方法,此时主自由度只有AZ 。 在矢量位方法中,电流源 (电流传导区域) 要作为整个有限元模型的一部分。由于它的节点 自由度更多,
9、所以比标量位方法的运算速度要慢 一些。 矢量位方法可应用于3-D 静态、时谐和瞬态的 磁场分析计算。 但是,当计算区域含有导磁材料 时,该方法的精度会有损失 (因为在不同导磁率 材料的分界面上,由于矢量位的法向分量非常 大,影响了计算结果的精度)。 你可以使用 INTER115 单元, 在同一模型中同时 使用 3-D 标量位方法和 3-D 矢量位方法。 1.4.4 什么是棱边元方法? 我们推荐在解决大多数的3-D 时谐问题和瞬 态问题时,选用棱边单元法,但此方法对于2-D 问题不适用。 棱边单元法中的自由度与单元边有关系, 而与单元节点没关系。 此方法在 3-D 低频静态和 动态电磁场的模拟仿
10、真方面有很好的求解能力。 这种方法和基于节点的矢量位法同时求解具 有相同泛函表达式的模型时,此方法更精确, 特 别是当模型中有铁区存在时。 当自由度是变化的 情况下,棱边单元法比基于节点的矢量位方法更 有效。 ANSYS理论手册中有关于此方法更细致的描 述。 1.4.5 棱边元方法和矢量位方法的比较 主要的不同在于棱边单元法具有更高的精度, 对于 3-D 分析来说,使用棱边单元的分析过程和 用 MVP 分析的过程基本相同。 所以,如前所述,我们推荐在求解大多数的 3-D 时谐和瞬态问题时采用单元边方法,但在下 列情况下只能用矢量位法: 模型中存在着运动效应和电路耦合时; 模型要求电路和速度效应
11、时 所分析的模型中没有铁区时。 1.5 高频电磁场分析 ANSYS 程序具有高频电磁分析功能,用于分析 计算给定结构的电磁场和电磁波的传播特性。 大多数高频器件都是用电磁波传播信息。同一 器件在不同频率的表现显然是不同的,因此在高 频器件设计中, 进行频响特性分析就显得尤为重 要。当信号的波长与导波设备的大小相当时,就 必须进行高频分析。 ANSYS提供时谐分析和模态分析两种分析方 法,详见第 10 章高频电磁场分析。 1.6 电磁场单元概述 ANSYS提供了很多可用于模拟电磁现象的单 元,表 1-1 作了简要介绍,单元和单元特性(自 由度、 KEYOPT 选项、输入和输出等)的详细描 述请参
12、见 ANSYS 单元手册。注意,并非下表中的 所有单元都能应用于所有的电磁分析类型,详情 请参阅相关分析类型章节的描述。 表 1-1 电磁场单元 单元 维 数 单 元 节 点 形状 自由度 1 和其它特征 类 型 数 PLANE53 2- D 磁 实 体 矢 量 8 四 边 形 AZ ;AZ-VOLT ;AZ-CURR ; AZ-CURR-EMF SOURC36 3- D 电 流 源 3 无 无自由度,线圈、杆、弧 型基元 SOLID96 3- D 磁 实 体 标 量 8 砖形 MAG (简化、差分、通用 标势) SOLID97 3- D 磁 实 体 矢 量 8 砖形 AX 、AY 、AZ、V
13、OLT ;AX 、 AY 、AZ 、CURR ;AX 、AY 、 AZ 、CURR 、EMF ; AX 、AY 、AZ、CURR 、VOLT ; 支持速度效应和电路耦 合 INTER11 5 3- D 界 面 4 四 边 形 AX 、AY 、AZ、MAG SOLID11 7 3- D 低 频 棱 边 单 元 2 0 砖形 AZ( 棱 边 ); AZ( 棱 边)-VOLT HF119 3- D 高 频 棱 边 单 元 1 0 四 面 体 AX(棱边) HF120 3- D 高 频 棱 边 单 元 2 0 砖型 AX(棱边) CIRCU12 4 1- D 电 路 8 线段 VOLT 、CURR 、
14、EMF ;电阻、 电容、电感、电流源、电 压源、 绞线圈、2D大线圈、 3D大线圈、互感、控制源 PLANE12 1 2- D 静 电 实 体 8 四 边 形 VOLT SOLID12 2 3- D 静 电 实 体 2 0 砖型 VOLT SOLID12 3 3- D 静 电 实 体 1 0 四 面 体 VOLT SOLID12 7 3- D 静 电 实 体 1 0 Tet VOLT SOLID12 8 3- D 静 电 实 2 0 Bric k VOLT 体 INFIN9 2- D 无 限 边 界 2 线段 AZ-TEMP INFIN11 0 2- D 无 限 实 体 8 四 边 形 AZ
15、、VOLT 、TEMP INFIN47 3- D 无 限 边 界 4 四 边 形 MAG 、TEMP INFIN11 1 3- D 无 限 实 体 2 0 砖型 MAG 、AX 、AY 、AZ 、VOLT 、 TEMP PLANE67 2- D 热 电 实 体 4 四 边 形 TEMP-VOLT LINK68 3- D 热 电 杆 2 线段 TEMP-VOLT SOLID69 3- D 热 电 实 体 8 砖型 TEMP-VOLT SHELL15 7 3- D 热 电 壳 4 四 边 形 TEMP-VOLT PLANE13 2- D 耦 合 实 体 4 四 边 形 UX、 UY、 TEMP 、
16、 AZ; UX-UY-VOLT SOLID5 3- D 耦 合 实 体 8 砖型 UX-UY-UZ-TEMP-VOLT-MA G ;TEMP-VOLT-MAG ; UX-UY-UZ ; TEMP 、VOLT/MAG SOLID62 3- D 磁 结 构 8 砖型 UX-UY-UZ-AX-AY-AZ-VOL T SOLID98 3- D 耦 合 实 体 1 0 四 面 体 UX-UY-UZ-TEMP-VOLT-MA G ;TEMP-VOLT-MAG ; UX-UY-UZ ; TEMP 、VOLT/MAG 1 具体的自由度根据 KEYOPT 选项的具体设置来 激活 1.7 关于 GUI路径和命令方
17、式 在本指南中,贯穿始终,都会看见许多ANSYS 命令流和其等效路径的提示。 这些命令行一般只 使用了命令名, 并没有列出所有变量参数。 如果 在命令后面加了不同的变量, 将执行一些其他的 更复杂的操作。若希望了解更复杂的命令语法, 请参考 ANSYS 命令指南 我们尽可能多地列出了GUI 等效路径的提示 帮助。很多情况下, 直接执行 GUI路径就可以执 行相应的命令函数; 在有些情况下, 执行 GUI路 径后,会出现菜单和对话框, 根据提示选择相应 的选项完成希望执行的命令函数。 对于本指南的所有分析,在定义材料属性时, 将应用一种更加仿真的界面形式。界面根据材料 属性的不同,分门别类地分级
18、列出树状形式结 构,这样便于用户更加合理的选择材料类型。详 细情况请参见 ANSYS 基本过程指南中的“材 料模型界面”。 第二章 2-D静态磁场分析 2.1 什么是静态磁场分析 静态磁场分析考虑由下列激励产生的静态磁 场: 永磁体 稳态直流电流 外加电压 运动导体 外加静磁场 静磁分析不考虑随时间变化效应,如涡流等。 它可以模拟各种饱和非饱和的磁性材料和永磁 体。 静磁分析的分析步骤根据以下几个因素决定: 模型是 2D还是 3D 在分析中, 考虑使用哪种方法。 如果静态分 析为 2D,就必须采用在本章内讨论的矢量位 方法。对于 3D静态分析,你可选其中标量位 方法(第 5 章)、矢量位方法(
19、第9 章)、或者 棱边元方法(第6 章)。 2.2 二维静态磁场分析中要用到的单元: 2-D 模型要用二维单元来表示结构的几何形 状。虽然所有的物体都是三维的,但在实际计算 时首先要考虑是否能将它简化成2-D 平面问题 或轴对称问题, 这是因为 2-D 模型建立起来更容 易,运算起来也更快捷。 ANSYS/Multiphysics和 ANSYS/Emag 模块提供 了一些用于 2-D 静态磁场分析的单元 (如下表)。 详细情况参见 ANSYS 单元手册。 表 2-12-D 实体单元 单元维形状自由度 数或特 性 PLANE13 2-D 四边 形 , 4 节点 或三 角形, 3 节点 最多可达每
20、节点4 个;可以是磁矢势 (AZ) 、位移、温度 或时间积分电势。 PLANE53 2-D 四边 形 , 8 节点 或三 角形, 6 节点 最多可达每节点4 个;可以是磁矢势 (AZ) 、时间积分电 势、电流或电动势 降。 表 2-2. 远场单元 单元 维 数 形 状 或 特 性 自由度 INFIN9 2-D 线型, 2 节 点 磁矢势 (AZ) INFIN110 2-D 四边形, 4磁矢势 (AZ) 、 个或 8个节 点 电势、温度 表 2-3. 通用电路单元 单元 维 数 形 状 或 特性 自由度注意 CIRCU124 无 通 用 电 路单元, 最 多 可 6 节点 每节点最多 可有三个;
21、 可 以 是 电 势、电流或 电动势降 通 常 与 磁 场 耦 合 时 使用 2-D 单元用矢量位方法 (即求解问题时使用的 自由度为矢量位)。因为单元是二维的,故每个 节点只有一个矢量位自由度:AZ(Z 方向上的矢 量位) 。时间积分电势 (VOLT)用于载流块导体或 给导体施加强制终端条件。 还有一个附加的自由度, 电流(CURR) ,是载压 线圈中每匝中的电流值, 便于给源线圈加电压载 荷,它常用于载压线圈和电路耦合。当电压或电 流载荷是通过一个外部电路施加时,就需要 CIRCU124 单元具有 AZ 、CURR 和 EMF (电动势降 或电势降)这几个自由度。 (关于电磁电路耦合 的更
22、详细信息,参见 ANSYS 耦合场分析指南) 。 2.3 静态磁场分析的步骤 静态磁场分析分以下五个步骤: 1. 创建物理环境 2. 建立模型,划分网格, 对模型的不同区域赋 予特性 3. 加边界条件和载荷(激磁) 4. 求解 5. 后处理(查看计算结果) 下面将详细讨论这几个步骤,在本章末,还有 一个螺线管电磁铁的2D 静态分析例题。这个 例题是以 ANSYS 图形用户界面的方式来做的, 并 且还给出了相应的ANSYS 命令格式。 2.3.1 创建物理环境 在定义一个分析问题的物理环境时,进入 ANSYS 前处理器,建立这个物理物体的数学仿真 模型。按照以下步骤来建立物理环境: 1、设置 G
23、UI菜单过滤 2、定义分析标题( /TITLE ) 3、说明单元类型及其选项(KEYOPT 选项) 4、定义单元坐标系 5、设置实常数和单位制 6、定义材料属性 2.3.1.1设置 GUI过滤 如果你是通过 GUI路径来运行 ANSYS , 当 ANSYS 被激活后第一件要做的事情是选择菜单路径: Main MenuPreferences ,在对话框出现后,选 择 Magnetic-Nodal 。 因为 ANSYS 会根据你选择的参数来对单元进行 过滤,选择 Magnetic-Nodal以确保能够使用用 于 2-D 静态磁场分析的单元。 2.3.1.2定义分析标题 给你所进行的分析一个能够代表
24、所分析内容 的标题,比如“2 -D solenoid actuator static analysis ”,确认使用一个能够与其他相似物理 几何模型区别的标题。用下列方法定义分析标 题。 命令: /TITLE GUI:: Utility MenuFileChange Title 2.3.1.3定义单元类型及其选项 与其他分析一样,进行相应的单元选择,详细 过程参见 ANSYS 基本过程指南。 各种不同的单元组合在一起, 成为具体的物理 问题的抽象模型。 根据处理问题的不同, 在模型 的不同区域定义不同的单元。例如,铁区用一种 单元类型, 而绞线圈需要用另一种单元类型。你 所选择的单元及它们的选
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