ansys電磁場培訓課件

1-1第一章教程綜述1-2ANSYS/EMAG能用于模擬工業(yè)電磁裝置電磁裝置當然是3維，但可簡化為2維模型。模擬可考慮為：穩(wěn)態(tài)交流（諧波）時變瞬態(tài)階躍電壓PWM(脈寬調(diào)制）（PulseWidthModulation)任意1-3利用軸對稱銜鐵和平面定子設計致動器的一個實例銜鐵旋轉(zhuǎn)銜鐵氣隙可變化完整模型由2個獨立部件組成銜鐵模塊定子模塊執(zhí)行:solen3d.avi看動畫1-4模擬過程概述利用如下方式觀察裝置2D與3D平面與軸對稱利用軸對稱平面簡化模型定義物理區(qū)域空氣，鐵，永磁體等等絞線圈，塊導體短路，開路為每個物理區(qū)定義材料導磁率（常數(shù)或非線性）電阻率矯頑磁力，剩余磁感應銜鐵線圈錠子實體模型1-5建實體模型給模型賦予屬性以模擬物理區(qū)賦予邊界條件線圈激勵外部邊界開放邊界實體模型劃分網(wǎng)格加補充約束條件（如果有必要）周期性邊界條件連接不同網(wǎng)格有限元網(wǎng)格1-6進行模擬觀察結(jié)果某指定時刻整個時間歷程后處理磁力線力力矩損耗MMF（磁動勢）電感特定需要2.1-7應用:簡單直流致動器問題描述2個實體園柱鐵芯，中間被空氣隙分開線圈中心點處于空氣隙中心分析過程和目的為模擬建模進行模擬后處理電磁力磁場值切去一部分線圈便以看到極面間空隙2.1-8模擬由3個區(qū)域組成銜鐵區(qū):導磁材料

導磁率為常數(shù)（即線性材料）線圈區(qū):線圈可視為均勻材料.空氣區(qū):自由空間(μr=1).銜鐵線圈2.1-9性質(zhì)柱體:μr=1000線圈:μr=1

匝數(shù):2000 (整個線圈)空氣:μr=1激勵線圈勵磁為直流電流:2安培單位(mm)銜鐵Coil長度=35YX模型

軸對稱材料號2材料號32.1-10建模設置電磁學預選項（過濾器）對各物理區(qū)定義單元類型定義材料性質(zhì)對每個物理區(qū)定義實體模型鐵芯線圈空氣給各物理區(qū)賦材料屬性加邊界條件2.1-11設置預選過濾掉其它應用的菜單Mainmenu>preferences選擇OK2.1-12定義所有物理區(qū)的單元類型為PLANE53

Preprocessor>Elementtype>Add/Edit/Delete選擇Add選擇磁矢量和8節(jié)點53號單元選擇OK2.1-13模擬模型的軸對稱形狀選擇Options（選項）Elementbehavior（單元行為）選擇Axisymmetric（軸對稱）選擇OK2.1-14定義材料

Preprocessor>MaterialProps>Isotropic定義空氣為1號材料(MURX=1)選擇Apply(自動循環(huán)地定義下一個材料號）選擇OK2.1-15定義銜鐵為2號材料選擇OK選擇Apply(自動循環(huán)地選擇下一個材料號）2.1-16定義線圈為3號材料(自由空間導磁率，MURX=1)選擇OK選擇OK(退出材料數(shù)據(jù)輸入菜單）2.1-17建立銜鐵面

Preprocessor>Create>Rectangle>ByDimensions選擇Apply(重復顯示和輸入)建立線圈面選擇Apply利用TAB鍵移動輸入窗口2.1-18建立空氣面選擇OK到了這步，建立了全部平面，但它們還沒有連接起來.銜鐵線圈2.1-19用Overlap迫使全部平面連接在一起

Preprocessor>Operate>Overlap>Areas按PickAll現(xiàn)在這些平面被連接了，因此當生成單元時，各區(qū)域?qū)⒐蚕韰^(qū)域邊界上節(jié)點這種操作后，原先平面被刪除，而新的平面被重新編號2.1-20這些平面要求與物理區(qū)和材料聯(lián)系起來

Preprocessor>-Attributes-Define>PickedAreas用鼠標點取銜鐵平面選擇OK(在選取框內(nèi)）材料號窗口輸入2選擇OK對于沒有明確定義屬性的面，其屬性缺省為12.1-21這些平面要求與物理區(qū)和材料聯(lián)系起來Preprocessor>-Attributes-Define>PickedAreas選取線圈平面（在選擇對話框里）點取OK材料號窗口輸入3點OK2.1-22加通量平行邊界條件

Preprocessor>loads>apply>-magnetic-boundary-flux-par’l選OnLines并選取相應的線選OK“所選取的線”“所選取的線”注：未劃分單元前，加上這種邊界條件2.1-23生成有限元網(wǎng)格利用智能尺寸選項來控制網(wǎng)格大小

Preprocessor>-Meshing-SizeCntrls>-smartsize-basic選擇OK2.1-24Preproc>-Meshing-Mesh>-Areas-Free>在選取框內(nèi)選擇ALL選擇OK打開繪制單元的材料屬性Utility>PlotCtrls>Numbering選擇OK2.1-25力邊界條件標志需要單元部件，即一組具有“名稱”的單元把銜鐵定義為一個單元組件選擇銜鐵平面Utility>select>entities用此選項在圖形窗口中選擇平面再次選擇用APPLY一旦銜鐵已選好，選擇OK(在選取框內(nèi)）2.1-26選擇與已選平面相對應的單元選擇OK

圖示銜鐵單元

Utility>plot>elements銜鐵單元用“面”2.1-27使單元與銜鐵組件聯(lián)系起來

Utility>Select>Comp/Assembly>CreateComponent 選擇OK2.1-28加力邊界條件標志

Preprocessor>Loads>Apply>-Magnetic-Flag>CompForce 選擇OK施加兩個標志，用兩個不同的方法來計算力Maxwell’s應力張量虛功即使只有一種選項，也要鼠標選取2.1-29以毫米單位生成的模型，最好把模型尺寸變換為國際單位制（變換系數(shù)=.001)使整個模型激活

Utility>Select>Everything縮放平面-不用拷貝

Preproc>operate>scale>areas選擇OK2.1-30給線圈平面施加電流密度選擇線圈平面Utility>Select>Entity選擇OK(實體選擇框)選擇線圈平面選擇OK(選取框內(nèi))2.1-31激勵線圈要求電流密度，故要得到線圈截面積.Preprocessor>Operate>CalcGeometricItems>OfAreas選擇OK要用線圈面積來計算電流密度，將線圈面積賦予參數(shù)CAREAUtility>Parameter>GetScalarData選擇OK2.1-32下面窗口輸入面積的參數(shù)名，用于后面電流密度輸入去掉面號（如果有的話）這相應于幾何面積總和選擇OK2.1-33把電流密度加到平面上

Preprocessor>Loads>Apply>Excitation>OnAreas(因為只激活了線圈平面，可在選取框內(nèi)選擇PickAll）選擇OK2.1-34進行計算

Solu>-solve-electromagnet>Opt&Solve

選擇OK這些適用于用BH數(shù)據(jù)來進行的分析，本題將忽略2.1-35生成磁力線圈

Postproc>plotresults>2Dfluxlines選擇OK使用缺省設置，選擇OK,（在通常情況下，可這樣做）單元邊緣圍繞的一個紅色輸廓表示該區(qū)域為同類材料號2.1-36計算力

Postproc>Elec&MagCalc>Comp.Force

選擇OK銜鐵上力是在總體坐標系下表示的，此力的方向為使氣隙縮小必須用鼠標選取2.2-37EMAG模擬的概念模型邊界條件有:磁通量垂直磁通量平行周期性對稱*偶對稱奇對稱根據(jù)單元方程式施加邊界條件矢量(2D或3D)標量(3D)基于單元邊(3D)*在第2章來討論簡單勵磁的平面模型AABB線圈(象征性的)鐵芯空氣2.2-38在2D靜磁場、交流和瞬態(tài)分析中采用磁矢量勢方法(MVP)此公式稱為MVP，磁通量密度(B)等于矢量勢(A)的旋度

B=Curl(A)對于二維情況，A只有Z方向分量，在ANSYS中表示為“AZ”自由度模型有二種邊界條件描述-Dirichlet條件（AZ約束）:磁通量平行于模型邊界Neumann條件（自然邊界條件）:磁通量垂直于模型邊界2.2-39沿A-A通量平行邊界條件需滿足：模型中A-A的左邊和右邊是相同的幾何形狀相同材料屬性相同左邊和右邊勵磁相位差180度（即方向相反）對稱平面邊界條件沿A-A必須加約束BB（1/2）對稱模型PoleFaceAAPreproc.>loads>apply>boundary>fluxpar’l>lines2.2-40半對稱模型與全模型比較：磁通量密度是相同的線圈上Lorentz力是相同的貯能為1/2極面上力為1/2加載電流密度與全模型相同線圈(象征性的)簡單導磁體的半對稱模型2.2-41沿B-B磁通量垂直邊條件需滿足B-B線上下兩邊如下參數(shù)是相同的幾何形狀材料性質(zhì)B-B線上下兩邊勵磁相同對稱面(B-B)邊界條件2D磁矢量勢(MVP)方式，無須處理加載電流與全模型相同QuartersymmetrymodelofthesimplemagnetizerBB2.2-421/4模型與全模型比較磁通密度分布相同貯能為1/4所示線圈上的Lorentz力1/2作用在極面上力為1/2勵磁體1/4對稱模型BB2.2-43單元plane13andplane53用于模擬2D磁場Plane13:4節(jié)點四邊形耦合場自由度：溫度，結(jié)構(gòu)，磁電源為Z方向B為線性變化適用于：Plane13變壓器匯流排傳感器線性或任意永磁系統(tǒng)螺線管磁體（致動器）直線或旋轉(zhuǎn)電機負載機械機械力矩2.2-44plane53:8節(jié)點，四邊形耦合場自由度:磁與電路單元耦合電流為Z方向B可為二次非線性變化通常情況下的推薦使用單元適用于精度要求較高的分析場量分析大型機械力矩中節(jié)點2.2-45定義Plane13的單元類型和單元選項

Preproc>elementtype>add/ edit/delete選擇ADD選擇Plane13用單元類型號給平面賦屬性選擇OK2.2-46一旦定義單元類型，要選擇單元選項單元選項控制:2D直流模擬為AZ自由度2D模擬型式軸對稱平面點取單元選項2.2-47幾何體型式用于直流模擬選擇OK用于定義平面屬性的參考號因為plane13用于耦合場模擬，故該單元可以具有應力/應變結(jié)構(gòu)選項2.2-48

平面與軸對稱比較端部效應平面:不包括軸對稱:自動包括正向電流方向相反

線圈兩種情況都是施加正向電流鐵板磁流密度矢量顯示鐵環(huán)軸對稱:+Z電流方向進平面平面:+Z電流方向出平面2.2-49磁力線描述平面:AZ等值線軸對稱:rAZ等值線電樞線圈定子平面或軸對稱?平面或軸對稱?2.2-50力、能量、電感的描述平面:單位長度軸對稱:整個圓周上的值力:軸對稱:無有效徑向力（相互平衡）單位弧度力不為零（曲度線圈）2.2-51定義Plane53的單元類型和選項Preproc.>elementtype>add/edit/delete選擇Add選擇8節(jié)點Plane53增加單元類型號以給平面賦屬性選擇OK2.2-52定義單元類型后選擇單元選項單元選項控制:絞線圈電壓加載選項*連接電路單元與有限元區(qū)*模擬運動體的自由度*包括交流分析plane53單元模擬運動導體示圖選擇OK2.2-53考慮速度效應時，要求增加輸入信息在實常數(shù)中定義。選擇單元選項后，定義實常數(shù)是很方便的

Preproc>realconstants...選擇2.3-54求解模型的單位制:SI分析中使用的單位制為國際單位制:SI力(牛頓）

能量(焦耳）功率（瓦）長度（米）時間（秒）質(zhì)量（公斤）磁通密度B（特斯拉）磁場強度H（安培/米）電流（安培）電阻率ρ（歐姆-米）電壓V（伏）電感L（亨）磁導率μr(亨/米）電容（法拉）2.3-55基本關系式:B=μH,其中μ=μrμ0μ可為單一值（線性）各相同性或正交各向異性

Preproc>materialprops>isotropic平面屬性要求賦予材料質(zhì)性號μr

相對磁導率2.3-56μ可為非線性，以模擬飽和狀態(tài)BH曲線數(shù)據(jù)能從ANSYS55材料庫中獲得 缺省的BH材料庫在ansys55目錄下的matlib子目錄中:

Preproc.>materialprops>materiallibrary>librarypath通過指定路徑可在其它位置得到材料數(shù)據(jù)2.3-57BH數(shù)據(jù)可用如下方式輸入

Preproc>materialprops>materiallibrary>importlibrary選擇材料選擇材料屬性選擇OK2.3-58BH數(shù)據(jù)生成圖形和列表顯示表示在列表顯示中的數(shù)據(jù)點號材料號2.3-59數(shù)據(jù)也可列成表格.這種表格也能人工制成

Utility>list>properties>datatables選擇OK2.3-60BH曲線輸入指南數(shù)據(jù)點(0,0)不要輸入定義曲線彎曲處的數(shù)據(jù)點要密（見M54的數(shù)據(jù)點）BH曲線要避免生成S形通常M鋼定義BH數(shù)據(jù)到8,000A/m數(shù)據(jù)需要外推這些曲線的μ值通常需要附加大量的數(shù)據(jù)以使得μ值由大逐漸變到最終斜率最終斜率為空氣值(μ0)2.3-61BH數(shù)據(jù)輸入應用實例: 400系列不銹鋼輸入如下數(shù)據(jù)

H(A/m)B(T)

790.0.771575.1.102365.1.307875.1.5015750.1.5631500.1.6347245.1.6678740.1.702.3-62首先定義數(shù)據(jù)表，然后把BH數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)表中

Preproc>materialprops>datatables>define/activate平面屬性要求賦予材料號選擇OK2.3-63利用編輯激活表格輸入BH數(shù)據(jù)

Preproc>materialprops>datatables>editactive輸入數(shù)據(jù)后，用鼠標點取File>Apply/Quit圖示:Preproc>materialprops>datatables>graph列表:Preproc>materialprops>datatables>list2.3-64實際求解需要用到dν/dB2

為避免粗劣的v=Yu條件曲線，

ν-B2應該是單調(diào)的。

Utility>plot>datatables>graphNUvs.B**22.3-65把該曲線數(shù)據(jù)放置在庫內(nèi)，以備將來使用。

Preproc.>materialprops>materiallibrary>exportmaterial選擇文件名選取生成的BH數(shù)據(jù)的材料屬性2.3-66應用實例:軸對稱直流致動器課題描述軸對稱線圈為直流供電銜鐵居中但懸空在定子上方。分析順序用axis2d宏建模完成建模后，加邊條件求解后處理力磁動勢誤差范數(shù)電流磁力線路徑圖示能量電感“氣隙”(mm)“線圈”部件“銜鐵”部件材料號5(同銜鐵)2.3-67勵磁

直流施加到線圈:3安培性質(zhì)

銜鐵/定子:上述BH曲線

線圈:300匝,26線徑，μr=1

空氣:μr=1單位:毫米(mm)2.3-68對于大多數(shù)應用，通常指定電壓，線圈電流是算出來的.26線規(guī)直徑(Dw)=0.404mm(在20攝氏度下)銅電阻率(ρ)=17.14E-9Ω-m（在20攝氏度下）匝數(shù)(N)=300線圈中徑為8mm(Rmid)均勻填充圓線圈的電阻為：

R=16000NρRmid/Dw2

R=4.03Ω對于靜態(tài)分析，12V電壓相應的電流為2.98安，本分析采用3安。2.3-69參數(shù)化建模需要：

參數(shù)GAP必須定義

在命令行輸入

gap=.5并回車

點取OK選擇分網(wǎng)密度

Preproc>sizecntrl>basic2.3-70axis2s宏生成模型銜鐵單元部件ARMATURE線圈面積參數(shù)ACOND線圈單元部件COIL在ANSYS命令窗口輸入axis2s并回車，以建立模型2.3-71材料號1為空氣完善邊界條件 通量平行邊界條件

Preproc>loads>apply>boundary>-fluxparl-lines選擇模型邊界上的所有線2.3-72如下方式定義材料號1（自由空間磁導率）

Preproc>materialprops>isotropic選擇OK選擇OK2.3-73給線圈平面加載線圈電流

Preproc>loads>apply>excitation>-currentdensity-areas選擇線圈平面

選擇OK2.3-74給銜鐵加力邊界條件標志

Preprocessor>Loads>Apply>-Magnetic-Flag>CompForce 選擇OK用不同的方法計算力，故加載兩種標志Maxwell應力張量虛功選擇ARMATURE2.3-75選擇所有幾何和有限元實體進行模擬Solution>electromagnetic>opt&solve選擇OK（采用缺省設置進行求解）請確認2.3-76磁力線

Postproc>plotresults>2Dfluxlines注意漏磁位置線圈區(qū)定子上角定子與銜鐵交界位置2.3-77計算力

Postproc>elec&magcalc>comp.force軸對稱模型只產(chǎn)生垂直方向力定義單元表項

FVW_Y虛功Y方向力

FMX_YMaxwell應力Y方向力環(huán)狀模型力總和選擇OK2.3-78用與銜鐵鄰接的空氣單元來計算銜鐵力，并顯示首先選擇空氣單元1)首先選擇空氣單元-材料屬性為1

選擇

Apply2)用Num/Pick從中選取鄰近銜鐵面空氣單元用框選取2.3-79虛功方法計算垂直力并用等值圖顯示

Postproc>plotresults>elemtable在氣隙中選取空氣單元選擇OK2.3-80用路徑圖示選項(PATH)能獲得沿銜鐵面的力的分布圖必須定義路徑

Postproc>pathoperations>definepath>bynodes點取節(jié)點2給一個任意的名字增加沿路徑的數(shù)據(jù)采樣點的數(shù)量點取節(jié)點1選擇OK2.3-81路徑定義信息如下路徑內(nèi)的結(jié)果插值是在總體坐標系下（與柱坐標系或其它局部坐標系相比）路徑由直線組成2.3-82單元表項FVW_Y中的力必須插值到路徑上

Postproc>pathoperations>mapontopath任意名選擇ETAB.FVW-Y選擇OK2.3-83將FVW_Y沿路徑顯示

Postproc>pathoperations-plotpathitems-ongeometry路徑圖示迭加在幾何體上已定義將路徑顯示圖縮放到一個較好的程度選擇OK2.3-84節(jié)點作用在銜鐵上的垂直方向力的路徑圖示2.3-85離路徑節(jié)點節(jié)點1的距離路徑上的力(F_Y)也能打印輸出

Postproc>pathoperations>listpathitems選擇OK2.3-86線圈Lorentz力（JxB）選擇線圈區(qū)域并定義為一個部件。

Utility>select>comp/assembly>selectcomp/assembly

選擇線圈為Lorentz力定義單元表Postpro>elementtable>definetable選擇2.3-87任意名作用于整個圓環(huán)上的X方向的Lorentz力選擇

OK選擇

Add2.3-88

線圈X方向Lorentz力的等值圖

Postproc>elementtable>plotelemtable選擇

OK2.3-89作用在線圈單元上的總力

Postpro>elementtable>sumofeachitem該操作作用于全部激活單元上相當于360°圓周上的受力

力單位為牛頓:N2.3-90根據(jù)節(jié)點磁場值差異估計誤差，且作為單元表數(shù)據(jù)貯存

Postpro>mag&eleccalc>erroreval

B_ERR單位(T)H_ERR單位(Amps/m)BN_ERR和HN_ERR由最大值歸一化2.3-91

BN_ERR能用磁力線圖進行等值顯示圖示BN_ERR單元表項

Postpro>elementtable>plotelemtable選擇OK激活NOERASE選擇

Utility>plotcntrls>eraseoptions2.3-92圖示磁力線

Postpro>plotresults>2Dfluxlines選擇OK2.3-93線性和非線性材料的共能計算

Postpro>elec&magcalc>coenergy選擇OK2.3-94也能計算貯能Postproc>elec&magcalc>energy注：鐵的共能大約是貯能的8倍，表示鐵的飽和效應所致2.3-95鐵單元的磁導率能用等值圖顯示

Postpro>elementtable>選擇ADDplane53單元在線幫助

選擇OK這是絕對磁導率2.3-96為了獲得相對磁導率，單元表應乘以MUZ系數(shù)將自由空間磁導率賦予參數(shù):MUZ=12.57x10-7 Postpro>elementtable>additems用已有名字自由空間磁導率參數(shù)不需要第二個單元表項選擇OK2.3-97用等值圖顯示相對磁導率MUR Postpro>elementtable>plotelemtable注意飽和區(qū)選擇tOK2.3-98沿閉合線計算磁動勢

MMF確保整個模型都被激活必須定義圍繞線圈的路徑

Postpro>elec&magcalc>definepath>bynodes選取如圖所示的7個節(jié)點，可從任一節(jié)點開始路徑的最終節(jié)點應與起始節(jié)點是同一個跨越空氣隙時，氣隙兩邊的鐵邊界上各選取一個節(jié)點2.3-99完成路徑定義由于鐵與空氣的界面處H值不連續(xù)，故應增加采樣點的數(shù)目選擇OK2.3-100繞閉合回線計算MMFPostpro>elec&magcalc>MMF

選擇OKMMF正負號由右手定則決定，路徑的反時針方向與線圈電流的方向相反（對于軸對稱模型，正電流方向為進行平面方向）2.3-101為了確定鐵芯飽和程度，沿定子的中間部分定義一個路徑并計算MMF選取節(jié)點1選取節(jié)點2MMF=-384A-t2.3-102輸入的總安匝數(shù)為900，鐵芯的中間部位有384安匝，也就是空氣隙中只有519安匝（忽略其余鐵芯中的磁動勢）如果384安匝中的大部分都在空氣隙中，磁力會有多大？對于本問題，電磁力至少會增加2倍?？捎昧硪环N方法顯示這一點：將鐵芯的磁導率設為1000，進行線性求解評述

2.3-103檢查邊界條件的正確與否非常重要模型邊界磁力線的檢查通量平行（用磁力線圖檢查）通量垂直（用磁力線圖檢查）電流觀察選擇線圈組件

Postpro>elec&magcalc>current選擇OK2.4-104永磁體線性永磁體感應曲線為線性可模擬大部分稀土磁體計算需要有“感應曲線”要求兩種材料性質(zhì)相對磁導率μr各向同性正交各向異性矯頑磁力Hc

矢量值利用單元坐標系定義材料性質(zhì)缺省:總體直角坐標系H(Amp/m)B(T)BrHc固有曲線感應曲線第二象限曲線圖稀土磁體典型曲線2.4-105μr和Hc可以是隨溫度變化磁化方向平行/垂直于磁體中心線相對于某中心點徑向/環(huán)向材料庫中不提供μr和Hc的缺省值?，F(xiàn)代技術的進步使磁體性能不斷提高年代2.4-106相對于直線感應曲線的磁體只要求Hc和一個單值的磁導率對于永磁材料，為了改善精度，利用剩磁感應密度(Br)和Hc

來計算磁導率μr=Br/(μ0Hc)為使用方便，自由空間磁導率參數(shù)MUZ可以在命令窗口輸入MUZ=acos(-1)*IE-7缺省值時，角度的單位為弧度。用SIN或COS函數(shù)來計算Hc的分量時，常用“度”單位。因此角度的單位要變換：Utility>parameters>angularunits選擇OK在輸入窗口中輸入HC*COS(60)來代替數(shù)值輸入2.4-107各向同性單元坐標系缺省為總體直角坐標系

Preproc>materialprops>isotropic材料2磁化方向平行于總體坐標+X方向Br=1THc=700,000A/m空氣選擇OK選擇

OK2.4-108正交各向異性單元坐標系缺省為總體直角坐標系

Preproc>materialprops>orthotropic材料2磁化方向為總體坐標+X方向反時針旋轉(zhuǎn)60度Br=1Hc=700,000A/m選擇

OK選擇

OK2.4-109Hc值仍然為700,000A/mHc是在總體直角坐標下表示的由于模型對稱，B的最大值不變材料22.4-110問題描述平面，園環(huán)磁體磁體四極設置在磁體外圓圈上磁化方向為極向（柱坐標系）分析目的模擬磁化特性SN應用——永磁體SN磁極中心（象征性的）