基于ANSYS平台的电磁场数值仿真
基于ANSYS的电磁感应加热系统仿真与实验
实 验 技 术 与 管 理 第38卷 第5期 2021年5月Experimental Technology and Management Vol.38 No.5 May 2021收稿日期: 2020-07-02作者简介: 房紫璐（1995—），女，江苏常州，硕士研究生，主要研究方向为电磁场与微波技术，fangzilu@ 。
通信作者: 李玉玲（1973—），女，内蒙古巴彦淖尔，博士，副教授，硕士生导师，主要从事电力电子技术应用及电工理论与新技术的教学和研究，liyl@ 。
引文格式: 房紫璐，龚直，李玉玲，等. 基于ANSYS 的电磁感应加热系统仿真与实验[J]. 实验技术与管理, 2021, 38(5): 129-133.Cite this article: FANG Z L, GONG Z, LI Y L, et al. Simulation and experiment of electromagnetic induction heating system based on ANSYS[J]. Experimental Technology and Management, 2021, 38(5): 129-133. (in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/TDOI: 10.16791/ki.sjg.2021.05.026虚拟仿真技术基于ANSYS 的电磁感应加热系统仿真与实验房紫璐，龚 直，李玉玲，姚缨英（浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027）摘 要：将电子工程专业基础课“工程电磁场”中的电磁感应定律和涡流理论与实际应用相结合，提出了基于电磁炉加热系统的仿真实验方案。
方案采用ANSYS 有限元仿真软件对电磁感应加热系统进行建模仿真，并分析典型系统参数对加热系统耦合的影响。
计算得到的涡流矢量图与欧姆损耗密度云图能够帮助学生更好地理解感应加热原理。
实验方案将理论分析、数值仿真和实验测量三者相结合，能够帮助学生更好地构建该课程系统全面的思维框架。
ANSYS仿真实验
ANSYS仿真实验
1. 实验目的
本实验是在ANSYS平台上开发的。
ANSYS是国际上著名的有限元软件包，可对结构力学、流体力学、传热学和电磁学等领域的问题进行求解。
其特点是图形界面友好，易学，前后处理功能强大。
在ANSYS平台上开发电磁场数值仿真实验，无需编程。
只要将问题的求解过程描述清楚，学生按照给定步骤上机操作，就可以得到预期的结果。
实验可分两步，第一步按照给定的步骤和给定参数做；第二步，自己尝试改变某些参数，观察结果的变化。
在仿真过程中学会软件使用、学会边值问题的建模方法、学会用仿真软件检验电磁场分布特性的猜测。
2. 仿真计算模型
图1 计算模型（图中a、D可自定）
仿真实验包括静电场实验和恒定磁场实验，要求至少选做一个。
对于静电场实验，两导体电位分别为100V和-100V（可自定）；对于恒定磁场实验，两导体电流密度分别为10000A/m2和-10000A/m2。
根据几何结构和源的对称性，仿真实验可选用1/4或1/2平面进行建模。
3. 仿真实验操作步骤
参考《ANSYS电磁场分析软件上机步骤》，用书面语言将上机过程描述清楚。
4. 仿真计算结果
实验过程中需要记录如下仿真结果：
⑴网格剖分图；
⑵等电位线分布图或等A线分布图；
⑶电场强度矢量图或磁场强度矢量图。
11.2.5二维静电场数值仿真+-+基于ANSYS平台的电磁场数值仿真实验报告
图 1 仿真实验 四、 实验步骤 1、 材料定义以及单元设定
由于仿真求解区域为空气，所以相对介电常数设为 1 求解内部区域单元类型 为 2D quard 121,外部无限单元类型为 2D infquard 110,其中 AZ 改为 volt, 4noded quard 改为 8noded 2、 几何模型
由于求解区域及场源的对称性，选用 1/4 平面进行建模，导体球半径设为 0.2，求解区域内部半径设为 5，外部设为 10 模拟无限远情况。
进行布尔运算完成建模。ANSYS 几何建模如图 2 所示。
4
基于 Ansys 平台的电磁场数值仿真实验：王心 电气 0914 1091181426
图 2 完成建模 3、 区域属性定义及网格划分
实验中是中心带圆孔方板的四分之一模型，其网格反映了疏密不同的划分 原则。小圆孔附近电场强度变化大，采用了比较密的网格。较远处梯度较小，网 格分得较稀。采用疏密不同的网格划分，既可以保持相当的计算精度，又可使网 格数量减小。
8
7
基于 Ansys 平台的电磁场数值仿真实验：王心 电气 0914 1091181426
加精确，但是也增加了计算的方程个数，使运算时间变长。 在计算数据变化梯度较大的部位(如实验中加压圆弧表面)，为了较好地反
映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位 为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。这样，整个结构便表现出疏密不同 的网格划分形式。
划分结果如图 3 所示
图 3 网格划分结果 4、 加压，无限边界设定，计算
ansys电磁场仿真分析教程
• 模拟模型的轴对称形状 • 选择Options（选项） • Element behavior（单元行为） • 选择 Axisymmetric（轴对称） • 选择OK
1-13
• 定义材料 Preprocessor>Material Props>Isotropic
• 定义空气为1号材料(MURX = 1)
• 对称面 (B-B)边界条件 – 2D磁矢量势(MVP)方式，无须处理 – 加载电流与全模型相同
B
B
Quarter symmetry model of
the simple magnetizer
1-43
• 1/4模型与全模型比较 – 磁通密度分布相同 – 贮能为1/4 – 所示线圈上的Lorentz力 1/2 – 作用在极面上力为1/2
有限元网格
1-6
• 进行模拟 • 观察结果
– 某指定时刻 – 整个时间历程 • 后处理 – 磁力线 –力 – 力矩 – 损耗 – MMF（磁动势） – 电感 – 特定需要
1-7
• 模拟由3个区域组成 • 衔铁区: 导磁材料 导磁率为常数（
即线性材料）
• 线圈区: 线圈可视为均匀材料. • 空气区:自由空间 (μr = 1) .
• 选On Lines并选取相应的线 • 选 OK
“所选取的线” 注：未划分单元前，加
上这种边界条件
“所选取的线”
1-22
• 生成有限元网格 • 利用智能尺寸选项来控制网格大小
Preprocessor>-Meshing-Size Cntrls>-smartsize-basic
• 选择OK
1-23
• Preproc>-Meshing-Mesh>-Areas-Free> 在选取框内选择ALL 选择OK
ANSYS Maxwell 16.02 X64 (领先的电磁场仿真分析软件)
■□■□■□■□■□■□■□■□■长期有效■□■□■□■□■□■□■□■
MAXWELL 2D：
工业应用中的电磁元件，如传感器，调节器，电动机，变压器，以及其他工业控制系统比以往任何时候都使用
得更加广泛。由于设计者对性能与体积设计封装的希望，因而先进而便于使用的数字场仿真技术的需求也显著的增长。在工程人员所关心的实用性及数字化功能方面，Maxwell 的产品遥遥领先其他的一流公司。Maxwell 2D 包括交流/ 直流磁场、静电场以及瞬态电磁场、温度场分析，参数化分极；以及优化功能。此外，Maxwel2D 还可产生高精度的等效电路模型以供A n s o f t 的SIMPLORER模块和其它电路分析工具调用。
ANSYS Maxwell 16.02 X64 (领先的电磁场仿真分析软件)
Ansoft Maxwell : 领先的电磁场仿真3D能够仿真线性直线运动和旋转运动。因此，Maxwell3D可以用来对电机、激励器等运动所导致的物理特性对产品影响至关重要的这些装置的性能进行精确预测。
Bentely.AutoPLANT.Drawing.Flattener.V8i.v08.11.11.113.Win64 1CD
Bentely.LIMCON.v03.63.01.11 1CD
Bentely.MSTower.06.20.01.08 1CD
Bentley AutoPLANT Object Enabler V8i v08.11.11.113 Win64 1CD
Bentley Process & Instrumentation V8i 08.11.11.113 Win64 1CD
Bentley.Microstran.Advanced.09.20.01.18 1CD
ANSYS电磁场仿真实验报告
电磁场仿真实验报告求平行输电线周围的电位和电场分布一、报告要求：该生学号尾号为1，建立3条垂直排布的导线。
电位由下到上分别为1V，2V，3V，如下图所示：二、模型说明：静电场计算，求解区域为模型的5倍，截断边界条件。
最下方导线对地高度为10米，导线半径为0.01米，导线之间间距为5米。
（即：H1=10m，H2=15m，H3=20m，U1=1V，U2=2V，U3=3V，R0=0.01m，求解区域为一半圆，题目要求求解区域为模型的5倍，模型尺寸认为是40m，故取半圆半径L=200m。
）如下图所示：三、实验步骤：1、确定文件名，选择研究范围。
点击Utility Menu>File>Change Title，输入你的文件名。
例如“姓名_学号”（ZLM_2012301530051）点击Main Menu>Preferences，选择Electric。
点击Main Menu>Preprocessor>，进入前处理模块(command: /TITLE,ZLM_2012301530051/COM,Preferences for GUI filtering have been set to display:/COM, Electric/PREP7 )2、定义参数点击Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters，在下面“Selection”空白区域填入参数：H1=10H2=15H3=20R0=0.01U1=1U2=2U3=3每一个参数输入完毕，点击“Accept ”按钮，输入的参数就导入上方“Items”指示的框中，等参数导入完毕后，点击“close”按钮关闭对话框。
(command: *SET,H1,10*SET,H2,15*SET,H3,20*SET,R0,0.01*SET,U1,1*SET,U2,2*SET,U3,3)3、定义单元类型点击Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，出现单元类型对话框“Element Types”，点击Add，弹出单元类型选择库对话框“Library of ElementTpes”选择Electrostatic 和2D Quad 121（二维四边形单元plane121）。
ANSYS电磁场仿真实验报告
电磁场仿真实验报告求平行输电线周围的电位和电场分布一、报告要求：该生学号尾号为1，建立3条垂直排布的导线。
电位由下到上分别为1V，2V，3V，如下图所示：二、模型说明：静电场计算，求解区域为模型的5倍，截断边界条件。
最下方导线对地高度为10米，导线半径为0.01米，导线之间间距为5米。
（即：H1=10m，H2=15m，H3=20m，U1=1V，U2=2V，U3=3V，R0=0.01m，求解区域为一半圆，题目要求求解区域为模型的5倍，模型尺寸认为是40m，故取半圆半径L=200m。
）如下图所示：三、实验步骤：1、确定文件名，选择研究范围。
点击Utility Menu>File>Change Title，输入你的文件名。
例如“姓名_学号”（ZLM_2012301530051）点击Main Menu>Preferences，选择Electric。
点击Main Menu>Preprocessor>，进入前处理模块(command: /TITLE,ZLM_2012301530051/COM,Preferences for GUI filtering have been set to display:/COM, Electric/PREP7 )2、定义参数点击Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters，在下面“Selection”空白区域填入参数：H1=10H2=15H3=20R0=0.01U1=1U2=2U3=3每一个参数输入完毕，点击“Accept ”按钮，输入的参数就导入上方“Items”指示的框中，等参数导入完毕后，点击“close”按钮关闭对话框。
(command: *SET,H1,10*SET,H2,15*SET,H3,20*SET,R0,0.01*SET,U1,1*SET,U2,2*SET,U3,3)3、定义单元类型点击Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，出现单元类型对话框“Element Types”，点击Add，弹出单元类型选择库对话框“Library of ElementTpes”选择Electrostatic 和2D Quad 121（二维四边形单元plane121）。
基于有限元的电磁场仿真与数值计算
鼠笼异步电动机磁场的有限元分析摘要鼠笼异步电动机具有结构简单、价格低廉、运行可靠、效率较高、维修方便等一系列的优点，在国民经济中得到广泛的应用。
工业、农业、交通运输、国防工程以及日常生活中都大量使用鼠笼异步电动机。
随着大功率电子技术的发展，异步电动机变频调速得到越来越广泛的应用，使得鼠笼异步电动机在一些高性能传动领域也得到使用。
鼠笼异步电动机可靠性高，但由于种种原因，其故障仍时有发生。
由于电动机结构设计不合理，制造时存在缺陷，是造成故障的原因之一。
对电机内部的电磁场进行正确的磁路分析，是电机设计不可或缺的步骤。
利用有限元法对电机内部磁场进行数值分析，可以保证磁路分析的准确性。
本文利用Ansys Maxwell软件，建立了鼠笼式异步电机的物理模型，并结合数学模型和边界条件，完成了对鼠笼式异步电动机的磁场仿真，得到了物理模型剖分图，磁力线和磁通分布图，为电机的进一步设计研究提供了依据。
关键词：Ansys Maxwell；鼠笼式异步电机；有限元分析一、前言当电机运行时，在它的内部空间，包括铜与铁所占的空间区域，存在着电磁场，这个电磁场是由定、转子电流所产生的。
电机中电磁场在不同媒介中的分布、变化及与电流的交链情况，决定了电机的运行状态与性能。
因此，研究电机中的电磁场对分析和设计电机具有重要的意义。
在对应用于交流传动的异步电机进行电磁场的分析计算时，传统的计算方法因建立在磁场简化和实验修正的经验参数的基础之上，其计算精度就往往不能满足要求。
如果从电磁场的理论着手，研究场的分布，再根据课题的要求进行计算，就有可能得到满意的结果。
电机电磁场的计算方法大致可以分为解析法、图解法、模拟法和数值计算法。
数值解法是将所求电磁场的区域剖分成有限多的网格或单元，通过数学上的处理，建立以网格或单元上各节点的求解函数值为未知量的代数方程组。
由于电子计算机的应用日益普遍，所以电机电磁场的数值解法得到了很大发展，它的适用范围超过了所有其它的解法，并能达到足够的精度。
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infiniteboundary→2D infquard 110→ok→option→AZ改为volt, 4noded quard改为 8noded→（设定外部无限单元类型）close→ 7. (ANSYS Main Menu → preprocessor → modeling → create → -Area- circle → partial annulus→wp x 1, wp y 0, rd-1 0, theta-1 0, rd-2 0.2, theta-2 180, apply→ wp x -1, wp y 0, rd-1 0, theta-1 0, rd-2 0.2, theta-2 180, apply→wp x 0, wp y 0, rd-1 0, theta-1 0, rd-2 5, theta-2 180, apply→wp x 0, wp y 0, rd-1 0, theta-1 0, rd-2 10, theta-2 180,ok（创建几何模型）→ 8. (ANSYS Main Menu→preprocessor→modeling→operate→-booleans- overlap→area
实验分为两步：第一步，按照给定步骤和给定参数上机操作；第二步，尝试改变某些参 数，观察仿真结果的变化。
七、 实验步骤
1. 开始→程序→ansys5.6→license status→server（等待）→quit（不能按其他选择） 2. 开始→程序→ansys5.6→interactive（出现界面）→run（出现界面）→ 3. ANSYS Main Menu（左侧主菜单）→preferences→electric（点击白框打勾）→ok（预
八、 实验结果
仿真实验结果：
5
华北电力大学
1、网格剖分图
2、九色云图
6
华北电力大学
3、电位线分布
4、电位移矢量
7
九、 思考题
华北电力大学
1． 仿真过程中，采用 1/4 或者 1/2 平面建模，有何理论依据？ 因为整个平面中的电荷和电解质关于 1/4 或者 1/2 具有对称性，也就是说整个平面的电 场、电位等关于 1/4 或者 1/2 平面对称。所以可以采用 1/4 或者 1/2 平面建模。
3
六、 实验内容
华北电力大学
a
无限长圆 柱导体
a
无限长圆 柱导体
D
图 1 仿真计算模型 （图中 a、D 可自定）
仿真实验包括静电场实验和恒定磁场实验，可任选一个。对于静电场实验，图 1 中两导 体电位分别为 100V和-100V（可自定）；对于恒定磁场实验，图 1 中两导体电流密度分别为 10000A/m2和-10000A/m2。根据几何结构和源分布的对称性，仿真实验可选用 1/4 或 1/2 平 面进行建模。
2． 网格剖分的疏密程度对仿真结果是否有影响？试解释原因。
8
两个小圆缺口的内半圆，apply→apply→光标选中外半圆，ok→1 plane121 改为 2 infin110→ok（定义区域属性）→ 11. (ANSYS Main Menu→preprocessor)→mesh tool→lines set→光标选中外层两条弧线， apply→ndiv 50 →apply→光标选中外层扇形左右两条底边，apply →ndiv 1 → apply→光标选两小圆弧，apply → ndiv 20 →apply→光标选中两小圆弧之间的两条 小线段，apply→ndiv 20→apply→光标选中两小圆弧与大扇形之间两条长线段，ok→ ndiv 20→ok→ 12. mesh tool菜单中选中quad 和 mapped，点击mesh →光标选中外部大扇形，ok（外部 无限单元划网格）→ 13. mesh tool菜单中选中tri 和 free，点击mesh →光标选中有两个小圆缺口的内半圆， ok（内部有限单元划网格）→ 14. (ANSYS Main Menu)→solution→-loads- apply→-elecric- boundary→-voltage- on line→光标选中右小半圆，apply, 100，apply→光标选中左小半圆，ok, -100 ，ok（ 导体表面加电位）→ 15. (ANSYS Main Menu)→solution→-loads- apply→-elecric- flag→-infinite surf- on line→光标选中最外边的半圆，ok（无限边界加标志）→ 16. (ANSYS Main Menu)→solution→-solve- current ls→ok（求解，等待）→close（关 闭黄框）→ 关闭status command文件（白框） 17. (ANSYS Main Menu)→general postproc→plot results→-contour plot- nodal solu →dof solution elec poten volt ok（显示电位 9 色云图）→ 18. emag 3d utility menu → plot ctrls → device options → shading win32 点 击 改 为 contours win32c ， vocter mode off 点击改为 on, ok→ 19. emag 3d utility menu→plot ctrls→style→contours→uniform contours→ncont 100 ，ok（显示等电位线分布）→ 20. (ANSYS Main Menu)→general postproc→plot results→-vector plot-predefined→ flux and gradient→选择D或EF（箭头显示电位移矢量或电场强度）→ 21. emag 3d utility menu→plot ctrls→pan, zoom, rotate→（可以移动、放大、缩小 图形） 22. ansys toolbar→选择quit-no save！ok→(退出ANSYS)
设问题归属）→ 4. ANSYS Main Menu→preprocessor→material props→-constant-isotropic→1→ok→
perx 1→ok（给定材料相对介电常数）→ 5. ANSYS Main Menu → preprocessor → element type → add/edit/delete → add →
华北电力大学
工程电磁场
基于 ANSYS 平台的电磁场数值仿真实验报告
院系：电器与电子工程学院 学生姓名：明捷 同组人：张尧 指导教师：王泽忠 实验日期：2012-6-13
专业名称：电气工程及其自动化 学号：1101230117 实验台号：13 成绩：
华北电力大学
目录
一、 实验名称：.......................................................................................................................3 二、 实验目的...........................................................................................................................3 三、 实验类型...........................................................................................................................3 四、 实验仪器...........................................................................................................................3 五、 实验原理...........................................................................................................................3 六、 实验内容...........................................................................................................................4 七、 实验步骤...........................................................................................................................4 八、 实验结果...........................................................................................................................5 九、 思考题...............................................................................................................................8
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华北电力大学
一、 实验名称：
基于 ANSYS 平台的电磁场数值仿真
二、 实验目的