ANSYS电磁场分析指南第七章3-D谐波磁场分析棱边单元法共32页文档
ANSYS电磁场分析报告指南设计
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２-Ｄ谐波（ＡＣ）磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第四章２-Ｄ瞬态磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第五章３-Ｄ静态磁场分析（标量法）：ANSYS电磁场分析指南第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边元方法）：ANSYS电磁场分析指南第七章３-Ｄ谐波磁场分析（棱边单元法）：ANSYS电磁场分析指南第八章３-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。
有限元ansys电磁场分析详解PPT课件
• 选择OK
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• 重复这些步骤，定义定子磁体材料3
• 为转子磁体平行磁化方向定义11号局部坐标系 • 水平方向反时针30度（总体坐标+X 轴） • 局部坐标系原点与总体坐标系一致 Utility>workplane>local coord. systems>create local CS>at specified location
• 选择 OK • 与前面一样重新设置衔铁的关联 • 对除有约束方程的节点外的所有外部节点重新施加平行条件 • 执行求解
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• 显示磁通密度和磁力线迭加图 – 由于衔铁位置改变，磁力线随 着变化 – 定子内最大磁密BSUM增大 – 模型交界处磁场连续
BSUM (T)
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谢谢您的观看！
第33页/共33页
2.5-33
第17页/共33页
• 模拟有许多磁极的电机，周期性边界 条件非常有用
• 右图显示的是一个10极永磁电机
• 模拟转子的运动。当转子转动时，电 流会变化。
• 定子槽内显示电流密度
• 本模型也允许转子和定子相互独立
• 观看动画，可执行动画文件:
mach2d.avi
定子
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转子
约束方程—不相同网格
• 将定子一侧边界上的节点建立组件. • 选择定子模型边界上线段 • 选择STATOR组件 • 再选择边界上线段 • 选择所选线段上的全部节点 • 建立单节点组件CE_N
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定子内半径 全部节点
• 选择衔铁组件ARMATURE • 选择节点组件 CE_N • 应用约束方程生成器
Preproc>coupling/ceqn>adjacent regions
ANSYS磁场分析
• 选择 OK
2.1-19
力边界条件标志需要单元部件，即一组具有 “名称”的单元
把衔铁定义为一个单元组件
– 选择衔铁平面
Utility>select>entities
用此选项在图形窗 口中选择平面
再次选择用APPLY
• 选择 OK
2.1-32
2.1-8
定义材料 • P定义re空p气ro为c1e号s材s料o(rM>UMRXa=te1)rial Props>Isotropic
• 选择OK
• 选择 Apply (自动循环地定义下一个材料号）
2.1-9
定义衔铁为2号材料
• 选择OK
• 选择 Apply (自动循环地选择下一个材料号）
2.1-10
• 选择 OK
2.1-22
• 加力边界条件标志 Preprocessor>Loads>Apply>-Magnetic-Flag>Comp Force
• 选择OK
• 施加两个标志，用两个不同的方法来计算力 – Maxwell’s 应力张量 – 虚功
即使只有一种选项，也要 鼠标选取
2.1-23
以毫米单位生成的模型，最好把模型尺寸变 换为国际单位制（变换系数 =.001)
• 选择 Apply
2.1-12
建立空气面
• 选择 OK 衔铁
到了这步，建立了全部 平面，但它们还没有连 接起来.
线圈
2.1-13
用Overlap迫使全部平面连接在一起
Preprocessor>Operate> Overlap>Areas
ANSYSWorkbench电磁场分析例子-38页PPT精品文档
Winding Tool
Complex coil windings may be created using the Winding Tool: • The Winding Tool inserts a “Winding#” into the model tree. • A “Details” view is used for geometric placement.
ANSYS, Inc. Proprietary
Workbench Emag Markets
Target markets: • Solenoid actuators • Permanent magnet devices • Sensors • Rotating Electric machines
– Synchronous machines – DC machines – Permanent magnet machines
– Winding Bodies: Used to represent wound coils for source excitation. The advantage of these bodies is that they are not 3D CAD objects, and hence simplify modeling/meshing of winding structures.
– Simulation
© 2004 ANSYS, Inc.
ANSYS, Inc. Proprietary
Winding Bodies & Tool
• Feature: Design Modeler (DM) includes two new tools to allow a user to easily create current carrying coils:
ANSYS电磁场分析
2.2.8 建立有限元模型——实体建 模
2.2 建立有限元模型
2.2.6 定义材料属性
实例2-1 定义单元类型，材 料属性
2.2 建立有限元模型
2.2.7 建立有限元模型——直接建 模
实例2-2 两端固定杆件建模
2 结构场分析
2.3.1 网格 控制
1
2.3.2 网格 产生
2
2.3 划分网格
2.4 加载负载
6.1 ANSYS电磁场求解及结果查 看概述
6.2 磁场负载
6.2. 1永 磁铁
6.2.2 矢量磁
位
6.2.3 磁场激
励
6.2.4 磁场标
识
6.2.5 麦 克斯韦面 （MXW
F）
6.2.6 磁 虚位移
（MVDI）
实例6-1 永 磁铁建模和
加载
6.3 电场负载
实例6-2 二维带小孔平行 板电容
6.3.5 无限表 面标识 （INF）
5.3.4 映射网格默认单元 大小
实例5-2 带小孔矩形网格划 分控制
5.4 自由网格和映射网格控制
5.4.1 面的映射网格划分 5.4.2 体的映射网格划分
实例5-3 正五边形网格划分
5 网格化有限元模型的建立
5.5.1 产生点单 元
5.5.3 产生面单 元
5.5.2 产生线单 元
5.5.4 产生体单 元
4 电磁场实体建模
4.2 工作平面
4 电磁场实体建模
4.3 群组命令介绍
4.4 自底向上建模
4.4.1 关键点
4.4.2 硬点
4.4.3 线
实例4-1 马蹄形磁铁 建模
4.4.4 面
4.4.5 体
Ansys电磁分析教程
选择OK
• 打开绘制单元的材料属性 Utility>PlotCtrls>Numbering
• 选择 OK
1-24
• 力边界条件标志需要单元部件，即一组具有 “名称”的单元 • 把衔铁定义为一个单元组件 – 选择衔铁平面 Utility>select>entities
用此选项在图形窗 口中选择平面
再次选择用APPLY
Y
材料号 2
衔铁 长度=35
材料号3
线圈励磁为直流电流: 2 安 培
Coil
模型 轴对称 单位 (mm)
X
1-9
•
建模
– 设置电磁学预选项（过滤器） – 对各物理区定义单元类型 – 定义材料性质 – 对每个物理区定义实体模型 • 铁芯 • 线圈
• 空气
– 给各物理区赋材料属性 – 加边界条件
1-10
对于没有明确定义属性的 面，其属性缺省为1
• 选择 OK
1-20
• 这些平面要求与物理区和材料联系起来 • Preprocessor>-Attributes-Define>Picked Areas
选取线圈平面
（在选择对话框里）点取OK 材料号窗口输入3
• 点 OK
1-21
• • •
加通量平行边界条件 Preprocessor>loads>apply>-magnetic-boundary-flux-par’l 选On Lines并选取相应的线 选 OK
• 选择 OK
1-33
•
进行计算 Solu>-solve-electromagnet>Opt & Solve
• 选择OK
ANSYS电磁场分析指南第七章3-D谐波磁场分析棱边单元法
第七章３-Ｄ谐波磁场分析（棱边单元方法）7.1 用棱边元方法进行谐波分析3-D谐波磁场分析（棱边元方法）与静态分析的特点基本相同，但前者只支持线性材料特性分析。
电阻和相对磁导率可以是正交各向异性，也可以与温度相关。
谐波分析仍使用SOLID117单元。
详见《ANSYS单元手册》和《ANSYS理论手册》。
7.1.1 物理模型区域的设置和特性ANSYS程序提供了几个选择用于处理3-D磁场分析中的不同的终端条件，以下图示导体的不同的终端条件：载流块导体DOFs: AZ, VOLT材料特性：m r(MURX), r(RSVX)特殊特性：耦合VOLT自由度，给单个节点加总电流(F,,amps)。
注：带有净电流的短路条件，净电流不受环境影响。
开路导体DOFs: AZ, VOLT材料特性：m r(MURX), r(RSVX)注：对对称性结构，令一面的VOLT=0，再耦合另一面的节点。
对3-D结构，令一个节点的VOLT=0。
载流绞线圈DOFs: AX, AY, AZ材料特性：m R(MURX)7.1.2 速度效应在交流（AC）激励下，运动导体的某些特殊情况是可以求解电磁场的。
速度效应在静态、谐波和瞬态分析中都有效。
第2章“二维静态磁场分析”中讨论了运动导体分析的应用情况和限制条件。
对于3D问题，设置单元KEYOPT选项和实常数的过程相似于2D谐波分析。
在谐波分析中，所加速度为常数，不作正弦变化（线圈或场激励为正弦变化），且垂直于运动方向的运动体截面应保持常数。
通过设置单元的KEYOPT（2）=1来激活速度效应，带运动导体的3D谐波分析同样需要运动导体区域具有时间积分电势自由度（VOLT），这通过设置单元的KEYOPT（1）=1（AZ和VOLT自由度）来实现。
运动导体分析中能设置的实常数如下表所示：可用谐波分析来仿真静场激励下的运动导体，为了表示静场，需将谐波的频率设置得很低，通常，谐波频率小于0.0001HZ就能产生准静态解，准静态解的结果是存放在实部里的。
Ansys电磁场分析经典教程
第一章
电磁场仿真简介……………………………………….... …….... …….... …….... …….... 1-4 第二章
二维静态分析
第三章
第1节……………………………………………………………………………..… 第2节……………………………………………………………….……….……… 第3节…………………………………………………………………….….……… 第4节…………………………………………………………………………..…… 第5节……………………………………………………………………………..…
• 选择OK
• 选择 Apply (自动循环地定义下一个材料号）
1-14
• 定义衔铁为2号材料
• 选择OK
• 选择 Apply (自动循环地选择下一个材料号）
1-15
• 定义线圈为3号材料 (自由空间导磁率，MURX=1)
• 选择 OK
• 选择 OK (退出材料数据输入菜单）
1-16
• 建立衔铁面 Preprocessor>Create>Rectangle>By Dimensions
• 一旦衔铁已选好，选择OK (在选取框内）
1-25
• 选择与已选平面相对应的单元
用“面”
• 选择 OK • 图示衔铁单元
Utility>plot>elements
衔铁单元
1-26
• 使单元与衔铁组件联系起来 Utility>Select>Comp/Assembly>Create Component
• 为每个物理区定义材料 – 导磁率（常数或非线性） – 电阻率 – 矫顽磁力，剩余磁感应
衔铁 线圈 锭子
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第七章３-Ｄ谐波磁场分析（棱边单元方法）7.1 用棱边元方法进行谐波分析3-D谐波磁场分析（棱边元方法）与静态分析的特点基本相同，但前者只支持线性材料特性分析。
电阻和相对磁导率可以是正交各向异性，也可以与温度相关。
谐波分析仍使用SOLID117单元。
详见《ANSYS单元手册》和《ANSYS理论手册》。
7.1.1 物理模型区域的设置和特性ANSYS程序提供了几个选择用于处理3-D磁场分析中的不同的终端条件，以下图示导体的不同的终端条件：7.1.2 速度效应在交流（AC）激励下，运动导体的某些特殊情况是可以求解电磁场的。
速度效应在静态、谐波和瞬态分析中都有效。
第2章“二维静态磁场分析”中讨论了运动导体分析的应用情况和限制条件。
对于3D问题，设置单元KEYOPT选项和实常数的过程相似于2D谐波分析。
在谐波分析中，所加速度为常数，不作正弦变化（线圈或场激励为正弦变化），且垂直于运动方向的运动体截面应保持常数。
通过设置单元的KEYOPT（2）=1来激活速度效应，带运动导体的3D谐波分析同样需要运动导体区域具有时间积分电势自由度（VOLT），这通过设置单元的KEYOPT（1）=1（AZ和VOLT自由度）来实现。
运动导体分析中能设置的实常数如下表所示：可用谐波分析来仿真静场激励下的运动导体，为了表示静场，需将谐波的频率设置得很低，通常，谐波频率小于0.0001HZ就能产生准静态解，准静态解的结果是存放在实部里的。
如果使用波前法求解，谐波的频率可以低到10-8HZ，而对于迭代解法，过低的频率会导致求解不收敛。
7.2 3-D谐波磁场分析（棱边元方法）的步骤1.在GUI菜单过滤中选定Magnetic-Edge项2.定义任务名和题目命令：/FILNAME和/TITLEGUI:Utility Menu>File>Change JobnameUtility Menu>File>Change Title3.进入ANSYS前处理器命令：/PREP7GUI:Main Menu>Preprocessor4.选择SOLID117单元命令：ET,,solid117GUI: Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete5.选择SOLID117单元选项对导电区用AZ-VOLT自由度，对不导电区用AZ自由度．命令：KEYOPTGUI:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete6.定义材料特性对涡流区必须说明电阻值RSVX，其它详见“二维静态磁场分析”一章7.建立模型对建立几何模型和划分网格的描述，详见“ANSYS建模与分网指南”8.赋予特性命令：VATTGUI: Main menu>Preprocessor>-Attributes-Define9.划分网格（用Mapped网格）命令：VMESHGUI:Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Volumes-Mapped 10.进入求解器命令：/SOLUGUI:Main Menu>Solution11.给模型边界加磁力线平行和磁力线垂直边界条件命令：DAGUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Boundary用AZ=0来模拟磁力线平行边界条件，磁力线垂直边界条件自然发生，无需说明。
12.加电流密度载荷命令：BFE,jsGUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Excitation除了加电流密度载荷外，还可以给一个块导体加总电流：命令：F,,ampsGUI:MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Electric-Excitation>-Impressed Current->On Nodes注：在加总电流之前需耦合节点VOLT自由度。
13.选择谐波分析类型和工作频率命令：ANTYPE,harmic,newGUI:Main Menu>Solution>New Analysis>Harmonic命令：HARFRQGUI:Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Freq and Substps.14.选择求解器(推荐使用Frontal或ICCG求解器）命令：EQSLVGUI:Main menu>Solution>Analysis Options15.选择载荷步选项16.求解命令：SOLVE(设置OPT域为0)GUI:Main Menu>Solution>－Solve-Current LS当使用棱边单元方程时，在缺省情况下，ANSYS程序先自动估算整个选择了单元和节点的计算区域。
此时通过把自由度的值设置为零来去掉不需要的自由度；这使ANSYS能更块地进行解算：命令：GAUGEGVI:Main Menu >Solution>Load Step Opts –magnetics >–Options Only –Gauging使用棱边单元做电磁分析必须要求估算，因此，在大多数情况下，不要关闭自动估算。
17.退出SOLUTION处理器命令：FINISHGUI:Main Menu>Finish18.按照如下过程进行后处理7.3 观察结果ANSYS和ANSYS/Emag程序将棱边元方法谐波磁场分析的数据结果写入到Jobname.RMG（若选择了时间积分电势（VOLT）选项，则写入到Jobname.RST）文件中。
由于谐波分析的很多结果数据是以工作频率w呈谐波变化的，计算结果与输入载荷有相位差（即滞后于输入载荷），所以要写成实部和虚部两部分（可以通过实部解乘以cos(wt)再减去虚部解乘以sin(wt)求模，模是可测量的量）。
参看《ANSYS理论手册》结果数据包括：主数据：节点自由度（AZ,VOLT）导出数据：·节点磁通量密度（BX,BY,BZ,BSUM）·节点磁场强度（HX,HY,HZ,HSUM）·节点洛仑兹磁力（FMAG: X,Y,Z分量和SUM）·单元总电流密度（JTX,JTY,JTZ）·单位体积生成的焦耳热（JHEAT）·单元磁能在后处理磁场分析的结果时，在POST1通用后处理器中可观察整个模型在给定频率处的响应解；在POST26时间历程后处理器中可观察在一个频率范围内某节点或单元的响应解，但在谐波分析中，频率是固定值，所以通常只有POST1来观看数据。
按照如下方式选择后处理器：命令：/POST1, /POST26GUI: Main Menu>General PostprocMain Menu>TimeHist Postpro7.3.1常用的后处理命令及相应的GUI。
（见下表）注：1、节点处的导出数据是周围单元解的平均值。
2、对于单元解，力是整个单元上的合力，但分布在单元节点上，以便于进行耦合分析。
3、能量是对所有单元求和的结果。
4、乘以单元体积，可得到能量损失。
5、对于时谐分析，其值为瞬态解(实部/虚部, 对应ωt = 0和ωt = -90)6、均方根值: 实部和虚部的平方和再开方注意：关于更多的注释信息，参见《ANSYS理论手册》。
ETABLE命令方便用户查看一些不常用的选项。
SOLID117单元的各种选项讨论参见《ANSYS单元手册》。
对于这些选项都可以图形化输出，把以上命令的“PR”替换成“PL”即可。
（比如用PLNSOL代替PRNSOL）。
还可以画出单元表的各个项目。
参见《ANSYS基本过程手册》。
《ANSYS APDL手册》中还有相应的方便后处理的一些命令和宏。
下面“从结果文件中读数据” 讨论了一些时谐分析后处理中的一些典型操作。
详细的操作参见《ANSYS基本过程手册》。
7.3.2从结果文件中读数据要在后处理器POST1中观察结果，必须保证求解后的模型还在ANSYS 数据库中，而且结果文件（Jobname.RMG 或Jobname.RST）也必须可用。
时谐分析的结果文件是复数，由实部和虚部组成。
用下列方式读入数据：命令：SETGUI: Utility Menu>List>Results>Load Step Summary求实部和虚部的平方和之平方根得到结果的幅值，这可以通过载荷工况运算完成。
7.3.2.1画等值线等值线几乎可以显示任何结果数据（如磁通密度，磁场强度，总电流密度（JTZ））。
命令：PLNSOLPLESOLGUI:Utility Menu>Plot>Results>Contour Plot>Elem SolutionUtility Menu>Plot>Results>Contour Plot>Nodal Solution注意：PLNSOL命令及其等效路径画导出数据（如磁通密度和磁场强度）的等值线时，显示的是在节点上作平均后的数据。
确认不要对跨越材料边界的数据进行平均，使用下列办法：命令：AVRES,2GUI: Main Menu>General Postproc>Options for Outp7.3.2.2列表显示在列表显示之前，可先对结果进行按节点或按单元排序：命令：ESORT，NSORTGUI:Main Menu>General Postproc>List Results>Sort NodesMain Menu>General Postproc>List Results>Sort Elems然后再进行列表显示：命令：PRESOL，PRNSOL，PRRSOLGUI:Main Menu>General Postproc>List Results>Element Solution Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal SolutionMain Menu>General Postproc>List Results>Reaction Solu7.3.2.3计算其他感兴趣的项目从后处理可用的数据库中，还可以计算其他感兴趣的项目（如全局磁力、力矩、源的输入能量、电感、磁链和终端电压）。