第四章 ANSYS三维电磁场分析指南1

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1、第四章 第1节三维电磁模拟fenxi4.1-2三维（三维（3D3D）模拟）模拟在很多情况下，电磁场分析要以三维（3D）方式进行模拟 没有完全轴对称的模型衔铁上的通气孔定子周期性截面线圈区域靠近孔的饱和区 非轴对称4.1-3三维（三维（3 3D D）模拟模拟 除Z轴方向外，模型还有其他方向的电流不同电流方向的多 个汇流排4.1-4三维（三维（3 3D D）模拟模拟 具有平面和轴对称组合部件的模型衔铁外形复杂平面型定子具有确切外形的衔接 和廉价迭片定子的致 动器线圈区域4.1-5三维（三维（3 3D D）模拟模拟轴向非均匀的模型10极永磁电机，建 立了2极模型定子、永磁体和 转子具有不同轴 向长度

2、永磁体转子定子4.1-6正如二维（2D）模拟一样，三维模拟功能也包括静态、交流和瞬态分 析 缺省的线性材料为各向同性（只赋予MURX值） 三维（3D）材料选项包括对于所有三个方向的正交各向异性选项 MURn 和RSVn（n表示X、Y、Z三个方向） BH磁化曲线能用于磁导率正交各向异性的任一个方向，其余方向 为常数 在某正交各向异性方向应用BH曲线时，该方向的MURn应设置为 零（只在正交各向异性材料中要求如此） 三维单元包括远场边界单元 与二维模拟相同，也支持复杂组合的物理区域 交流分析的绞线导体与块导体 电压与电流供电 复杂铁磁区域4.1-7具有模拟三维模型运动的功能 周期性边界条件 改变线

3、圈电流 不相同网格 执行动画文件: mach3d.avi观察转子转动画10极永磁电机，输 入正弦电流4.1-8单元列式直接影响到模拟的各个方面 施加通量垂直和平行边界条件 何为自然边界条件？ 何为自由度约束？ BH数据对收敛敏感性的影响 - B2 曲线与 - H 曲线 模拟激励的方法（绞线圈） 可在模型中包含铁磁区 模型中的铁磁-空气界面 后处理 通量计算（电动势（EMF）计算的起始点） “磁力线”显示 三维模拟使用多种单元列式4.1-9 三维（3D）模拟功能包括三种单元列式类型 标量势单元列式（静态1 ）SOLID96 简化标势法(RSP)用于没有线圈的铁-空气界面模型 差分标势法(DSP)

4、用于具有单通量路径的铁-空气界面模型 通用标势法(GSP)用于具有多通量路径的铁-空气界面模型 单元边列式（静态、交流、瞬态) SOLID117 包含任意铁磁区域 周期对称模型必须为全模型-不能有耦合 磁矢量势 (MVP) 列式（静态、交流、瞬态） SOLID97 无铁磁区域(1) 如果模型中还有矢量势和界面单元 INTER115，标量法能用于交流和瞬态模拟4.1-10标量势单元列式 自由度: MAG 通量垂直边界条件： MAG 自由度必须被约束或耦合 通量平行边界条件： 这是自然边界条件，不要求施加。这种边界条件施加到模型 边界上，不采用约束或耦合。有相应的菜单来施加标量法的 通量平行条件，

5、但只是一个注意项而已，无须使用。 分析中BH曲线的使用 必须检查-H 曲线，保证其是“光滑”的4.1-11 -H曲线由下面菜单绘制 Utilityplotdata tables曲线上没有波纹，求解 收敛性就很好 选择 OK4.1-12 标量势的激励是基于Biot-Savart 计算的，使用预先定义的线圈形状- sourc36单元。因此，对应于线圈或杆导体的有限元区域不必直接建模 （象二维磁矢势分析那样）sourc36单元的帮助文件 中对线圈原型定义4.1-13线圈原型常用于某些类型的致动器 ，但多数情况下，该线圈以ARC 型和 BAR型相组合构成“跑道”形 线圈 本章后面对此有详细描述ARC型

6、 构成跑道形线 圈转角BAR型构成跑道形线圈 直边4.1-14 sourc36单元定义 它们不要求连接成连续单元 三个节点用于定义线圈原型的取向和一个特征长度 在单元实常数中定义导体厚度和电流（安匝数），模型中所用厚 度相应于导线位置而不是绝缘厚度电流流向对于图示线圈： 线圈长度:.05 m 厚度 .02 m 线圈中间点半径 .10 m 取向: 沿+Z 安匝数: 1,5004.1-15单元的节点： 节点K 处于线圈中心位置即节点1 (0,0,0) 节点I处于线圈中间半径位置即节点2 (0.1,0,0) 节点J决定了线圈取向的定义，即节 点3 (0,0.1,0)生成单元前需要定义sourc36单

7、元，该 单元无单元类型选项 Preproc.element typeadd/edit/delete ADD线圈实例Node JNode INode K箭头方向定义电源取向（右 手定则4.1-16 单元实常数设置号应该是唯一的，或其它相同线圈一致。实常数应在 生成单元前定义。Preprocreal constants 选择 ADD 选择 sourc36单元类型. 选择 OK4.1-17完成线圈定义选择 sourc36 原型必须为与单元相对 应的实常数安匝数，方向由前面幻灯片中的红箭头所示线圈厚度线圈轴向长度DY、DZ的单位制要与模型一致 选择 OK4.1-18先生成单元前，要设置单元属性Prep

8、roccreateelementselem attributes单元类型 实常数（如前面幻灯片所定义的） 人工生成单元（不用自动生成网格）Preproccreateelements-auto numbered-thru nodes(顺次选取节点2 , 3 和1 ） 如果要根据实常数中设置的尺寸来显示线圈图形，则图形设置必须变更 。 Utilityplotctrlsstylesize and shape 选择 OK4.1-19在某些情况下，要求将“增强图形”方式转换为“全图形”方式 Utilityplotctrlsstylehidden line options箭头长度由绘图控制选项控制Plot

9、Ctrlsstylevector arrow scaling注：在标准工具栏中可直接设置 “增强图形”（将其关闭）4.1-20利用改变实常数数据可改变线圈特征Preprocreal constants 选择EDIT (初始生成的设置）将0.05改为0.1 选择 OK4.1-21 应建完整的线圈组模型 实际上有例外 线圈远离铁芯区域，对铁芯 内磁场产生不重要的影响模型中只建立了2个极 和 1/2 轴向长度4.1-22标量列式包括三种型式的标量势，每一种适用于特定的物理区域。可以采用简化标量势 (RSP)的物理区域有: 铁磁区和永磁体 无线圈的铁磁区域 无铁磁介质的线圈4.1-23 RSP优点:

10、模拟分析为单步求解 相对于其它标量方式，其计算量最小 RSP缺点: “数值相消” 使 RSP方法在铁磁模型内不能使用sourc36单元 励磁4.1-24RSP 方法适用于模拟含有铁空气界面和永磁体的系统分析目的 为确定转矩与转角的关系10极迭片电机的2极，每 极锥角为15度4.1-25差分标量势 (DSP)方法可用于模拟: 线圈与铁磁介质区相连 永磁体 无铁磁区的线圈 限制：模型几何体必须满足单连通条件。 当铁芯磁导率接近于无限大则铁介质中磁场强度接近零时，可 确定为单连通（致动器、具有空气隙电机等） 缺点: 求解为二步过程4.1-26直线加速器的 C形磁体气隙线圈产生磁场控制带电粒子运动带电

11、粒子 运动这是一个当铁芯磁导率 变得很大时，磁场强度 接近零的实例4.1-27 DSP 方法适合于模拟含有铁和空气界面以及sourc36单元电流源的系 统，分析目的是确定在指定定子电流形式时转矩与转角的关系10极电机的两极模型三相电机的绕组截面4.1-28通用标势法适用的物理模型: Sourc36单元可与铁磁区相连 磁体励磁 通量条件可以定义通量（ Webers） 可在无铁芯介质的模型采用Sourc36单元 限制：模型几何体必须满足多连通条件 若当铁介质磁导率为无限大时，铁芯内磁场并不接近零，则 可确定为满足多连通条件（变压器、导磁体、具有多通量路 径的模型等） 缺点： 要分三步求解4.1-2

12、9闭合磁路电感线圈实例：当铁芯磁导率变大时磁场不为零（多连通）4.1-30模拟远场区域的模型有二种远场边界单元(infin47和infin111) infin47 这是一个“壳”形单元，可用“esurf”生成 模型外表面不要求设置其它标志远场自由空间从帮助（Help ）查 看infin47单元4.1-31 infin111 砖型单元 本单元比使用infin47更精确 单元的外表面要求设置标志 Preprocloadsapplyflags-infinite surface-on areas中间节点适用于具有中间节点 的六面体单元（solid98)4.1-32单元边列式是一种最先进的用于模拟三维（

13、3D）复杂铁磁模型 的计算方法 自由度：AZ (VOLT用于交流或瞬态分析） 通量垂直条件: 这是自然边界条件，不要求施加。这种条件加到模型边 界，不用约束和耦合 通量平行边界条件 AZ 自由度必须加约束 模拟时使用 BH曲线 - B2 曲线必须确认为“光滑”中间节点4.1-33利用线圈励磁的模型与二维（2D）模拟相似：线圈区域必须为有限 元网格. 电流密度有三个分量JSX,JSY,JSZ 这些分量对应于单元坐标轴方向 任意直角坐标系 任意圆柱坐标系 总体坐标系转角部分需要JSY（局部柱 坐标系的环向方向）直段部分用总体坐标系线圈区截面4.1-34 3D MVP 列式 自由度：AX、AY、AZ

14、 (VOLT用于交流或瞬态分析） 通量垂直边界条件: 这是自然边界条件，但是，垂直于边界的A分量必须设为零 X-Y 平面, AZ 必须约束为零 X-Z平面, AY必须约束为零 Y-Z平面, AX必须约束为零4.1-35 通量平行边界条件 模型平面内的A分量必须设置为零 X-Y平面, AX和AY 必须约束为零 X-Z平面, AX和AZ必须约束为零 Y-Z平面, AY和AZ必须约束为零4.1-36三维应用三维应用4.1-37三维应用三维应用4.1-38 模拟中使用BH 曲线 - B2 曲线必须确认为“光滑” 利用线圈励磁的模型相似于单元边列式法：线圈区域必须为有限单元 模型. 电流密度有三个分量：JSX、JSY和JSZ4.1-39本章包括下面实例，以显示三维模拟能力三维衔接铁磁体静态模拟DSP 方法求解三维致动器静态模拟单元边方法求解块导体内的三维杆交流模拟单元边方法求解三维汇流排静态模拟MVP方法求解