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04 ANSYS电磁场2D分析帮助中文版.pdf

发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.00M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    ANSYS 电磁场分析指南 第一章磁场分析概述.............................................................................................................................................1 1.1 磁场分析对象...........................................................................................................................................1 1.2ANSYS 如何完成电磁场分析计算..........................................................................................................2 1.3 静态、谐波、瞬态磁场分析...................................................................................................................2 1.4 关于棱边单元、标量位、矢量位方法的比较.......................................................................................3 1.4.12-D 分析和 3-D 分析比较......................................................................................................................3 1.5 高频电磁场分析.......................................................................................................................................4 1.6 电磁场单元概述.......................................................................................................................................4 1.7 关于 GUI 路径和命令方式......................................................................................................................5 第二章 2-D 静态磁场分析.....................................................................................................................................6 2.1 什么是静态磁场分析 ...............................................................................................................................6 2.2 二维静态磁场分析中要用到的单元：...................................................................................................6 2.3 静态磁场分析的步骤 ...............................................................................................................................7 2.3.1 创建物理环境................................................................................................................................7 2.3.1.1 设置 GUI 过滤 ............................................................................................................................7 2.3.1.2 定义分析标题.............................................................................................................................8 2.4 算例----2-D 螺线管致动器内静态磁场的分析（GUI 方式）............................................................31 第三章２-Ｄ谐波（ＡＣ）磁场分析..................................................................................................................35 3.1 什么是谐波磁场分析............................................................................................................................35 3.2 线性与非线性谐波分析........................................................................................................................36 3.3 二维谐波磁场分析中要用到的单元....................................................................................................36 3.4 创建 2-D 谐波磁场的物理环境............................................................................................................37 3.5 建立模型，划分网格，赋予特性 ........................................................................................................43 3.6 加边界条件和励磁载荷 ........................................................................................................................43 3.7 求解........................................................................................................................................................46 3.8 观察结果................................................................................................................................................51 3.9 算例----2-D 自由空间线圈的谐波磁场的分析（GUI）.....................................................................59 3.11 算例----二维非线性谐波分析（命令流方式） .................................................................................70 3.12 其它例题 ..............................................................................................................................................74 第四章２-Ｄ瞬态磁场分析..................................................................................................................................74 4.2 2-D 瞬态磁场分析中用到的单元..........................................................................................................74 4.3 创建 2D 瞬态磁场分析的物理环境 .....................................................................................................75 4.4 建立模型，划分网格，指定属性 ........................................................................................................75 4.5 施加边界条件和励磁载荷 ....................................................................................................................75 4.6 求解........................................................................................................................................................77 4.7 后处理....................................................................................................................................................81 4.8 算例--- 2-D 螺线管致动器内瞬态磁场的分析（GUI） .....................................................................84 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： 1
    ·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 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” 2
    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 2－D 模型，什么时候选择 3－D 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。 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， 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。 3
    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。 单元 维数 单元类型 节点数 形状 表格 1 电磁场单元 PLANE53 2-D 磁实体矢量 SOURC36 3-D 电流源 SOLID96 3-D 磁实体标量 8 3 8 四边形 无 砖形 自由度 1 和其它特征 AZ；AZ-VOLT；AZ-CURR； AZ-CURR-EMF 无自由度，线圈、杆、弧型基元 MAG (简化、差分、通用标势) SOLID97 3-D 磁实体矢量 8 砖形 AX、AY、AZ、VOLT；AX、AY、AZ、CURR；AX、AY、 AZ、CURR、EMF； AX、AY、AZ、CURR、VOLT； 4
    INTER115 3-D 界面 SOLID117 3-D 低频棱边单元 HF119 3-D 高频棱边单元 HF120 3-D 高频棱边单元 4 20 10 20 四边形 砖形 四面体 砖型 支持速度效应和电路耦合 AX、AY、AZ、MAG AZ(棱边)；AZ(棱边)-VOLT AX(棱边) AX(棱边) CIRCU124 1-D 电路 8 线段 VOLT、CURR、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、 PLANE121 2-D 静电实体 SOLID122 3-D 静电实体 SOLID123 3-D 静电实体 SOLID127 3-D 静电实体 SOLID128 3-D 静电实体 INFIN9 2-D 无限边界 INFIN110 2-D 无限实体 INFIN47 3-D 无限边界 8 20 10 10 20 2 8 4 四边形 砖型 四面体 Tet Brick 线段 四边形 四边形 控制源 VOLT VOLT VOLT VOLT VOLT AZ-TEMP AZ、VOLT、TEMP MAG、TEMP INFIN111 3-D 无限实体 20 砖型 MAG、AX、AY、AZ、VOLT、TEMP PLANE67 2-D 热电实体 LINK68 3-D 热电杆 SOLID69 3-D 热电实体 SHELL157 3-D 热电壳 PLANE13 2-D 耦合实体 4 2 8 4 4 四边形 线段 砖型 四边形 四边形 SOLID5 3-D 耦合实体 8 砖型 TEMP-VOLT TEMP-VOLT TEMP-VOLT TEMP-VOLT UX、UY、TEMP、AZ；UX-UY-VOLT UX-UY-UZ-TEMP-VOLT-MAG；TEMP-VOLT-MAG； UX-UY-UZ； TEMP、VOLT/MAG SOLID62 3-D 磁结构 8 砖型 UX-UY-UZ-AX-AY-AZ-VOLT SOLID98 3-D 耦合实体 10 四面体 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 路径和命令方式 UX-UY-UZ-TEMP-VOLT-MAG；TEMP-VOLT-MAG； UX-UY-UZ； TEMP、VOLT/MAG 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”。 5
    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 2－D 还是 3－D ·在分析中，考虑使用哪种方法。如果静态分析为 2－D，就必须采用在本章内讨论的矢量位方法。对于 3－D 静态分析，你可选其中标量位方法（第 5 章）、矢量位方法（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》。 单元 维数 形状或特性 自由度 表格 2 2-D 实体单元 PLANE13 2-D PLANE53 2-D 四边形，4 节点 或三角形，3 节点 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)、位移、温度或 时间积分电势。 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。 表格 3. 远场单元 单元 维数 INFIN9 2-D 形状或特性 线型，2 节点 自由度 磁矢势(AZ) INFIN110 2-D 四边形，4 个或 8 个节点 磁矢势(AZ)、电势、温度 表格 4. 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；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。 6
    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 2－D 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 GUI 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 Menu>Preferences，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。 7
    2.3.1.2 定义分析标题 给你所进行的分析一个能够代表所分析内容的标题，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 Menu>File>Change 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 的选项（KEYOPTs，后面还要详细讨论）可以反映待求区域的物理事实。定义好不同的单元及其选项后，就可 以施加在模型的不同区域。 下面的表格和图形显示在 2-D 分析中存在两种不同区域。 DOF: AZ 表格 5 空气 铁 材料特性：MUr (MURX), rho (RSVX) (如要计算焦耳热) DOF: AZ 材料特性：MUr(MURX)或 B-H 曲线(TB 命令) DOF: AZ 材料特性：MUr (MURX)或 B-H 曲线(TB 命令)，Hc(矫顽力矢量 永磁体 MGXX,MGYY) 注：永磁体的极化方向由矫顽力矢量和单元坐标系共同控制。 8
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