Ansys电磁场分析经典教程数学

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1、1-1第一章第一章电磁场仿真简介电磁场仿真简介.第二章第二章二维静态分析二维静态分析第第1节节.第第2节节.第第3节节.第第4节节.第第5节节.第三章第三章二维谐波和瞬态分析二维谐波和瞬态分析第第1节节.第第2节节.第四章第四章三维电磁场分析三维电磁场分析第第1节节.第第2节节.第第3节节.第第4节节.第第5节节.第五章第五章耦合场分析概况耦合场分析概况.1-42.1-12.2-12.3-12.4-12.5-13.1-13.2-14.1-14.2-14.3-14.4-14.5-15-11-2教程综述教程综述1-3ANSYS/EMAG能用于模拟工业电磁装能用于模拟工业电磁装置置电磁装置当然是电磁

2、装置当然是3维，但可简化维，但可简化 为为2维模维模型型。模拟可考虑为：模拟可考虑为：稳态稳态 交流（谐波）交流（谐波）时变瞬态时变瞬态 阶跃电压阶跃电压 PWM(脉宽调制）脉宽调制）（Pulse Width Modulation)任意任意1-4利用轴对称衔铁和平面定子设计利用轴对称衔铁和平面定子设计致动器的一个实例致动器的一个实例 衔铁旋转衔铁旋转 衔铁气隙可变化衔铁气隙可变化完整模型由完整模型由2个独立部件组成个独立部件组成 衔铁模块衔铁模块 定子模块定子模块执行执行:solen3d.avi看动画看动画1-5利用如下方式观察装置利用如下方式观察装置 2D与与3D 平面与轴对称平面与轴对称

3、利用轴对称平面简化模型利用轴对称平面简化模型定义物理区域定义物理区域 空气，铁，永磁体等等空气，铁，永磁体等等 绞线圈，块导体绞线圈，块导体 短路，开路短路，开路为每个物理区定义材料为每个物理区定义材料 导磁率（常数或非线性）导磁率（常数或非线性）电阻率电阻率 矫顽磁力，剩余磁感应矫顽磁力，剩余磁感应衔铁衔铁线圈线圈锭子锭子实体模型实体模型1-6建实体模型建实体模型给模型赋予属性以模拟物理区给模型赋予属性以模拟物理区赋予边界条件赋予边界条件 线圈激励线圈激励 外部边界外部边界 开放边界开放边界实体模型划分网格实体模型划分网格加补充约束条件（如果有必要）加补充约束条件（如果有必要）周期性边界条件

4、周期性边界条件 连接不同网格连接不同网格有限元网格有限元网格1-7进行模拟进行模拟观察结果观察结果某指定时刻某指定时刻整个时间历程整个时间历程后处理后处理磁力线磁力线力力力矩力矩损耗损耗MMF（磁动势）磁动势）电感电感特定需要特定需要1-8模拟由模拟由3个区域组成个区域组成衔铁区衔铁区:导磁材料导磁材料 导磁率为常数（导磁率为常数（即线性材料）即线性材料）线圈区线圈区:线圈可视为均匀材料线圈可视为均匀材料.空气区空气区:自由空间自由空间(r=1).衔铁衔铁线圈线圈1-9性质性质柱体柱体:r =1000线圈线圈:r =1 匝数匝数:2000 (整个线圈整个线圈)空气空气:r =1激励激励线圈励磁

5、为直流电流线圈励磁为直流电流:2 安安培培单位单位(mm)衔铁衔铁Coil长度长度=35YX模型模型 轴对称轴对称材料号材料号 2材料号材料号31-10建模建模 设置电磁学预选项（过滤器）设置电磁学预选项（过滤器）对各物理区定义单元类型对各物理区定义单元类型 定义材料性质定义材料性质 对每个物理区定义实体模型对每个物理区定义实体模型 铁芯铁芯 线圈线圈 空气空气 给各物理区赋材料属性给各物理区赋材料属性 加边界条件加边界条件1-11设置预选过滤掉其它应用的菜单设置预选过滤掉其它应用的菜单Main menupreferences选择选择OK1-12定义所有物理区的单元类型为定义所有物理区的单元类

6、型为 PLANE53PreprocessorElement typeAdd/Edit/Delete选择选择 Add选择磁矢量和选择磁矢量和8节点节点53号单元号单元选择选择 OK1-13模拟模型的轴对称形状模拟模型的轴对称形状选择选择Options（选项）选项）Element behavior（单元行为）单元行为）选择选择 Axisymmetric（轴对称）轴对称）选择选择OK1-14定义材料定义材料PreprocessorMaterial PropsIsotropic 定义空气为定义空气为1 1号材料号材料(MURX=1)选择选择 Apply (自动循环地定义下一个材料号）自动循环地定义下一

7、个材料号）选择选择OK1-15定义衔铁为定义衔铁为2号材料号材料 选择选择OK 选择选择 Apply(自动循环地选择下一个材料号）自动循环地选择下一个材料号）1-16定义线圈为定义线圈为3号材料号材料(自由空间导磁率，自由空间导磁率，MURX=1)选择选择 OK 选择选择 OK (退出材料数据输入菜单）退出材料数据输入菜单）1-17建立衔铁面建立衔铁面PreprocessorCreateRectangleBy Dimensions 选择选择Apply (重复显示和输入重复显示和输入)建立线圈面建立线圈面 选择选择 Apply利用利用TAB 键移动输键移动输入窗口入窗口1-18建立空气面建立空气

8、面 选择选择 OK到了这步，建立了全部平到了这步，建立了全部平面，但它们还没有连接起面，但它们还没有连接起来来.衔铁衔铁线圈线圈1-19用用Overlap迫使全部平面连接在一起迫使全部平面连接在一起PreprocessorOperate OverlapAreas按按Pick All现在这些平面被连接了，因此当现在这些平面被连接了，因此当生成单元时，各区域将共享区域生成单元时，各区域将共享区域边界上节点边界上节点这种操作后，原先平面被删除，这种操作后，原先平面被删除，而新的平面被重新编号而新的平面被重新编号1-20这些平面要求与物理区和材料联系起来这些平面要求与物理区和材料联系起来Preproc

9、essor-Attributes-DefinePicked Areas用鼠标点取衔铁平面用鼠标点取衔铁平面选择选择OK(在选取框内）在选取框内）材料号窗口输入材料号窗口输入2 选择选择 OK对于没有明确定义属性的对于没有明确定义属性的面，其属性缺省为面，其属性缺省为11-21这些平面要求与物理区和材料联系起来这些平面要求与物理区和材料联系起来Preprocessor-Attributes-DefinePicked Areas选取线圈平面选取线圈平面（在选择对话框里）点取（在选择对话框里）点取OK 材料号窗口输入材料号窗口输入3 点点 OK1-22加通量平行边界条件加通量平行边界条件Prepro

10、cessorloadsapply-magnetic-boundary-flux-parl 选选On Lines并选取相应的线并选取相应的线选选 OK“所选取的线所选取的线”“所选取的线所选取的线”注：未划分单元前，加注：未划分单元前，加上这种边界条件上这种边界条件1-23生成有限元网格生成有限元网格利用智能尺寸选项来控制网格大小利用智能尺寸选项来控制网格大小Preprocessor-Meshing-Size Cntrls-smartsize-basic 选择选择OK1-24Preproc-Meshing-Mesh-Areas-Free在选取框内选择在选取框内选择ALL选择选择OK打开绘制单元的

11、材料属性打开绘制单元的材料属性UtilityPlotCtrlsNumbering 选择选择 OK1-25力边界条件标志需要单元部件，即一组具有力边界条件标志需要单元部件，即一组具有“名称名称”的单元的单元把衔铁定义为一个单元组件把衔铁定义为一个单元组件 选择衔铁平面选择衔铁平面Utilityselectentities用此选项在图形窗用此选项在图形窗口中选择平面口中选择平面再次选择用再次选择用APPLY 一旦衔铁已选好，选择一旦衔铁已选好，选择OK (在选取框内）在选取框内）1-26选择与已选平面相对应的单元选择与已选平面相对应的单元 选择选择 OK 图示衔铁单元图示衔铁单元 Utilityp

12、lotelements衔铁单元衔铁单元用用“面面”1-27使单元与衔铁组件联系起来使单元与衔铁组件联系起来UtilitySelectComp/AssemblyCreate Component 选择选择 OK1-28加力边界条件标志加力边界条件标志 PreprocessorLoadsApply-Magnetic-FlagComp Force 选择选择OK 施加两个标志，用两个不同的方法来计算力施加两个标志，用两个不同的方法来计算力 Maxwells 应力张量应力张量 虚功虚功即使只有一种选项，也要鼠即使只有一种选项，也要鼠标选取标选取1-29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（

13、变换系数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=.0001)使整个模型激活使整个模型激活 UtilitySelectEverything缩放平面缩放平面-不用拷贝不用拷贝Preprocoperatescaleareas 选择选择 OK1-30给线圈平面施加电流密度给线圈平面施加电流密度选择线圈平面选择线圈平面UtilitySelectEntity选择选择OK (实体选择框实体选择框)选择线圈平面选择线圈平面选择选择 OK (选取框内选取框内)1-31激励线圈要求电流密度，故要得到线圈截面积激励线圈要求电流密度，故要得到线圈截面积.PreprocessorOperateC

14、alc Geometric ItemsOf Areas选择选择OK要用线圈面积来计算电流密度，将线圈面积赋予参数要用线圈面积来计算电流密度，将线圈面积赋予参数CAREAUtilityParameterGet Scalar Data 选择选择 OK1-32下面窗口输入面积的参数名，用于后面电流密度输入下面窗口输入面积的参数名，用于后面电流密度输入去掉面号（如果有的话）去掉面号（如果有的话）这相应于几何面积总和这相应于几何面积总和 选择选择 OK1-33把电流密度加到平面上把电流密度加到平面上PreprocessorLoadsApplyExcitationOn Areas(因为只激活了线圈平面，可

15、在选取框内选择因为只激活了线圈平面，可在选取框内选择Pick All）选择选择 OK1-34进行计算进行计算Solu-solve-electromagnetOpt&Solve 选择选择OK这些适用于用这些适用于用BH 数据来进行的分析，本题将忽略数据来进行的分析，本题将忽略1-35生成磁力线圈生成磁力线圈Postprocplot results2D flux lines选择选择 OK使用缺省设置，选择使用缺省设置，选择OK,（在通常情在通常情况下，可这样做）况下，可这样做）单元边缘围绕的一个红色输廓表示该单元边缘围绕的一个红色输廓表示该区域为同类材料号区域为同类材料号1-36计算力计算力Pos

16、tprocElec&Mag CalcComp.Force 选择选择 OK衔铁上力是在总体坐标衔铁上力是在总体坐标系下表示的，此力的方系下表示的，此力的方向为使气隙缩小向为使气隙缩小必须用鼠标选取必须用鼠标选取1-37显示总磁通密度值显示总磁通密度值(BSUM)PostprocPlot ResultsNodal Solution 选择选择 OK1-38第二章第二章第第2节节二维静磁学二维静磁学1-39模型边界条件有模型边界条件有:磁通量垂直磁通量垂直 磁通量平行磁通量平行 周期性对称周期性对称*偶对称偶对称 奇对称奇对称根据单元方程式施加边界条件根据单元方程式施加边界条件 矢量矢量(2D 或或3

17、D)标量标量(3D)基于单元边基于单元边(3D)*在第在第2章来讨论章来讨论简单励磁的平面模型简单励磁的平面模型AABB 线圈线圈(象征性的象征性的)铁芯铁芯空气空气1-40在在2D静磁场、交流和瞬态分析中采用磁矢量势方法静磁场、交流和瞬态分析中采用磁矢量势方法(MVP)此公式称为此公式称为MVP，磁通量密度磁通量密度(B)等于矢量势等于矢量势(A)的旋度的旋度 B =Curl(A)对于二维情况，对于二维情况，A只有只有Z方向分量，在方向分量，在ANSYS中表示为中表示为“AZ”自由度自由度模型有二种边界条件描述模型有二种边界条件描述-Dirichlet条件（条件（AZ约束）约束）:磁通量平行

18、于模型边界磁通量平行于模型边界 Neumann 条件（自然边界条件）条件（自然边界条件）:磁通量垂直于模型边界磁通量垂直于模型边界1-41沿沿A-A 通量平行边界条件需满足：通量平行边界条件需满足：模型中模型中A-A 的左边和右边是相同的左边和右边是相同的的 几何形状相同几何形状相同 材料属性相同材料属性相同 左边和右边励磁相位差左边和右边励磁相位差180度（度（即方向相反）即方向相反）对称平面边界条件对称平面边界条件 沿沿A-A必须加约束必须加约束BB（1/2）对称模型）对称模型Pole FaceAA1-42半对称模型与全模型比较：半对称模型与全模型比较：磁通量密度是相同的磁通量密度是相同的

19、 线圈上线圈上Lorentz 力是相同的力是相同的 贮能为贮能为 1/2 极面上力为极面上力为 1/2 加载电流密度与全模型相同加载电流密度与全模型相同 线圈线圈(象征性的象征性的)简单导磁体的半对称模型简单导磁体的半对称模型1-43沿沿B-B磁通量垂直边条件需满足磁通量垂直边条件需满足 B-B线上下两边如下参数是相同的线上下两边如下参数是相同的 几何形状几何形状 材料性质材料性质 B-B线上下两边励磁相同线上下两边励磁相同对称面对称面(B-B)边界条件边界条件 2D磁矢量势磁矢量势(MVP)方式，无须处理方式，无须处理 加载电流与全模型相同加载电流与全模型相同Quarter symmetry

20、 model of the simple magnetizerBB1-441/4模型与全模型比较模型与全模型比较 磁通密度分布相同磁通密度分布相同 贮能为贮能为1/4 所示线圈上的所示线圈上的Lorentz力力 1/2 作用在极面上力为作用在极面上力为1/2励磁体励磁体1/4对称模型对称模型BB1-45单元单元plane13 and plane53 用于模拟用于模拟2D磁磁场场 Plane13:4 节点四边形节点四边形 耦合场自由度：温度，结构，磁耦合场自由度：温度，结构，磁 电源为电源为Z方向方向 B 为线性变化为线性变化 适用于：适用于：Plane13 变压器变压器 汇流排汇流排 传感器传

21、感器 线性或任意线性或任意 永磁系统永磁系统 螺线管磁体（致动器）螺线管磁体（致动器）直线或旋转电机直线或旋转电机 负载机械负载机械 机械力矩机械力矩1-46 plane53:8 节点，四边形节点，四边形 耦合场自由度耦合场自由度:磁磁 与电路单元耦合与电路单元耦合 电流为电流为 Z 方向方向 B 可为二次非线性变化可为二次非线性变化 通常情况下的推荐使用单元通常情况下的推荐使用单元 适用于精度要求较高的分析适用于精度要求较高的分析 场量分析场量分析 大型机械力矩大型机械力矩中节点中节点1-47定义定义Plane13的单元类型和单元选项的单元类型和单元选项Preprocelement type

22、 add/edit/delete选择选择ADD选择选择Plane13用单元类型号用单元类型号给平面赋属性给平面赋属性 选择选择OK1-48一旦定义单元类型，要选择单元一旦定义单元类型，要选择单元 选项选项单元选项控制单元选项控制:2D直流模拟为直流模拟为AZ自由度自由度 2D 模拟型式模拟型式 轴对称轴对称 平面平面点取单元选项点取单元选项1-49几何体型几何体型式式用于直流模拟用于直流模拟 选择选择 OK用于定义平面属性的参考号用于定义平面属性的参考号因为因为plane13 用于耦合场模拟，故该用于耦合场模拟，故该单元可以具有应力单元可以具有应力/应变结构选项应变结构选项1-50平面与轴对称

23、比较平面与轴对称比较端部效应端部效应平面平面:不包括不包括轴对称轴对称:自动包括自动包括正向电流方向相反正向电流方向相反 线圈线圈两种情况都是施两种情况都是施加正向电流加正向电流铁板铁板磁流密度矢磁流密度矢量显示量显示铁环铁环轴对称轴对称:+Z 电流方向进平面电流方向进平面平面平面:+Z 电流方向出平面电流方向出平面1-51 磁力线描述磁力线描述 平面平面:AZ等值线等值线 轴对称轴对称:r AZ 等值线等值线电枢电枢线圈线圈定子定子平面或平面或 轴轴对称对称?平面或平面或 轴轴对称对称?1-52 力、能量、电感的描述力、能量、电感的描述 平面平面:单位长度单位长度 轴对称轴对称:整个圆周上的

24、值整个圆周上的值 力力:轴对称轴对称:无有效径向力（相互平衡）无有效径向力（相互平衡）单位弧度力不为零（曲度线圈）单位弧度力不为零（曲度线圈）1-53 定义定义Plane53的单元类型和选项的单元类型和选项Preproc.element typeadd/edit/delete 选择选择 Add 选择选择 8节点节点Plane53增加单元类型号以增加单元类型号以给平面赋属性给平面赋属性 选择选择 OK1-54 定义单元类型后选择单元定义单元类型后选择单元选项选项 单元选项控制单元选项控制:绞线圈电压加载选项绞线圈电压加载选项*连接电路单元与有限连接电路单元与有限元区元区*模拟运动体的自由度模拟运

25、动体的自由度*包括交流分析包括交流分析plane53单元模拟运动导体示图单元模拟运动导体示图 选择选择OK1-55考虑速度效应时，要求增加输入信息考虑速度效应时，要求增加输入信息 在实常数中定义。选择单元选项后，定义实常数是很方便的在实常数中定义。选择单元选项后，定义实常数是很方便的Preprocreal constants.选择选择1-56平面属性要求实平面属性要求实常数设置号常数设置号速度单位速度单位:米米/秒秒角速度单位角速度单位:弧度弧度/秒秒 选择选择 OK平面属性要求赋予平面属性要求赋予单元类型号数单元类型号数1-57第二章第二章 第第 3节节2-D静磁学静磁学1-58求解模型的单

26、位制求解模型的单位制:SI力力(牛顿）牛顿）能量能量(焦耳焦耳）功率（瓦）功率（瓦）长度（米）长度（米）时间（秒）时间（秒）质量（公斤）质量（公斤）磁通密度磁通密度B（特斯拉）特斯拉）磁场强度磁场强度H（安培安培/米）米）电流（安培）电流（安培）电阻率电阻率（欧姆欧姆-米）米）电压电压V（伏）伏）电感电感L（亨）亨）磁导率磁导率r(亨亨/米）米）电容（法拉）电容（法拉）1-59基本关系式基本关系式:B=H,其中其中 =r 0 可为单一值（线性）可为单一值（线性）各相同性或正交各向异性各相同性或正交各向异性 Preprocmaterial propsisotropic平面属性要求赋予平面属性要求

27、赋予材料质性号材料质性号r 相对磁导率相对磁导率1-60 可为非线性，以模拟饱和状态可为非线性，以模拟饱和状态 BH曲线数据能从曲线数据能从ANSYS55材料库中获得材料库中获得 缺省的缺省的BH材料库在材料库在ansys55 目录下的目录下的matlib子目录中子目录中:Preproc.material propsmaterial librarylibrary path 通过指定路径可在其它位置得到材料数据通过指定路径可在其它位置得到材料数据1-61 BH 数据可用如下方式输入数据可用如下方式输入Preprocmaterial propsmaterial libraryimport libr

28、ary 选择材料选择材料选择材料属性选择材料属性 选择选择 OK1-62BH 数据生成图形和列表显示数据生成图形和列表显示表示在列表示在列表显示中表显示中的数据点的数据点号号材料号材料号1-63 数据也可列成表格数据也可列成表格.这种表格也能人工制成这种表格也能人工制成Utilitylistpropertiesdata tables 选择选择OK1-64数据点数据点(0,0)不要输入不要输入定义曲线弯曲处的数据点要密（见定义曲线弯曲处的数据点要密（见M54的数据点）的数据点）BH曲线要避免生成曲线要避免生成S形形通常通常M钢定义钢定义BH数据到数据到8,000 A/m 数据需要外推数据需要外推

29、 这些曲线的这些曲线的值通常需要附加大量的数据以使得值通常需要附加大量的数据以使得值由大逐渐变到最终值由大逐渐变到最终斜率斜率 最终斜率为空气值最终斜率为空气值(0)1-65应用实例应用实例:400系列不锈钢输入如下数据系列不锈钢输入如下数据 H(A/m)B(T)790.0.77 1575.1.10 2365.1.30 7875.1.50 15750.1.56 31500.1.63 47245.1.66 78740.1.70 1-66 首先定义数据表，然后把首先定义数据表，然后把BH数据输入数据表中数据输入数据表中Preproc material propsdata tablesdefine/

30、activate平面属性要求赋予材料号平面属性要求赋予材料号 选择选择OK1-67 利用编辑激活表格输入利用编辑激活表格输入BH数据数据 Preproc material propsdata tablesedit active 输入数据后，用鼠标点取输入数据后，用鼠标点取 FileApply/Quit 图示图示:Preprocmaterial propsdata tablesgraph 列表列表:Preprocmaterial propsdata tableslist1-68 实际求解需要用到实际求解需要用到 d/dB2 为避免粗劣的为避免粗劣的v=Yu 条件曲线，条件曲线，-B2 应该是单调

31、的。应该是单调的。Utilityplotdata tablesgraph NU vs.B*21-69把该曲线数据放置在库内把该曲线数据放置在库内，以备将来使用。，以备将来使用。Preproc.material propsmaterial libraryexport material选择文件名选择文件名选取生成的选取生成的BH 数据的材料属性数据的材料属性1-70 课题描述课题描述 轴对称轴对称 线圈为直流供电线圈为直流供电 衔铁居中但悬空在定子上方。衔铁居中但悬空在定子上方。分析顺序分析顺序 用用axis2d宏建模宏建模 完成建模后，加边条件完成建模后，加边条件 求解求解 后处理后处理力力磁动

32、势磁动势误差范数误差范数电流电流磁力线磁力线路径图示路径图示能量能量电感电感“气隙气隙”(mm)“线圈线圈”部件部件“衔铁衔铁”部件部件材料材料号号5(同衔铁同衔铁)1-71励磁励磁 直流施加到线圈直流施加到线圈:3 安培安培性质性质衔铁衔铁/定子定子:上述上述BH 曲线曲线线圈线圈:300 匝匝,26线径，线径，r=1空气空气:r =1 单位单位:毫米毫米(mm)1-72对于大多数应用，通常指定电压，线圈电流是算出来的对于大多数应用，通常指定电压，线圈电流是算出来的.26线规直径线规直径(Dw)=0.404 mm (在在20摄氏度下摄氏度下)铜电阻率铜电阻率 ()=17.14 E-9 -m（

33、在在20摄氏度下摄氏度下）匝数匝数(N)=300线圈中径为线圈中径为8 mm(Rmid)均匀填充圆线圈的电阻为：均匀填充圆线圈的电阻为：R=16000 N Rmid/Dw2 R =4.03对于静态分析，对于静态分析，12 V 电压相应的电流为电压相应的电流为2.98安，本分析采用安，本分析采用3安。安。1-73参数化建模需要：参数化建模需要：参数参数GAP必须定义必须定义 在命令行输入在命令行输入 gap=.5 并回车并回车 点取点取OK选择分网密度选择分网密度Preprocsize cntrlbasic1-74axis2s宏生成模型宏生成模型衔铁单元部件衔铁单元部件ARMATURE线圈面积参

34、数线圈面积参数ACOND线圈单元部件线圈单元部件 COIL 在在ANSYS命令窗口输入命令窗口输入axis2s并回车，以建立模型并回车，以建立模型1-75 材料号材料号 1为空气为空气 完善边界条件完善边界条件 通量平行边界条件通量平行边界条件Preprocloadsapplyboundary-flux par l-lines 选择模型边界上的所有线选择模型边界上的所有线 1-76如下方式定义材料号如下方式定义材料号 1（自由空间磁导率）（自由空间磁导率）Preprocmaterial propsisotropic 选择选择OK 选择选择OK1-77给线圈平面加载线圈电流给线圈平面加载线圈电流

35、 Preprocloadsapply excitation-current density-areas选择线圈平面选择线圈平面 选择选择 OK1-78给衔铁加力边界条件标志给衔铁加力边界条件标志 PreprocessorLoadsApply-Magnetic-FlagComp Force 选择选择 OK 用不同的方法计算力，故加载两种标志用不同的方法计算力，故加载两种标志 Maxwell 应力张量应力张量 虚功虚功 选择选择 ARMATURE1-79 选择所有几何和有限元实体选择所有几何和有限元实体 进行模拟进行模拟 Solutionelectromagneticopt&solve 选择选择

36、OK（采用缺省设置进行求解）采用缺省设置进行求解）请确认请确认1-80 磁力线磁力线Postprocplot results2D flux lines 注意漏磁位置注意漏磁位置线圈区线圈区定子上角定子上角定子与衔铁交界位置定子与衔铁交界位置1-81计算力计算力Postprocelec&mag calccomp.force 轴对称模型只产生垂直方向力轴对称模型只产生垂直方向力 定义单元表项定义单元表项 FVW_Y 虚功虚功Y方向力方向力 FMX_Y Maxwell应力应力Y方向力方向力 环状模型力总和环状模型力总和 选择选择 OK1-82用与衔铁邻接的空气单元来计算衔铁力，并显示用与衔铁邻接的空

37、气单元来计算衔铁力，并显示首先选择空气单元首先选择空气单元1)首先选择空气单元首先选择空气单元-材料属性为材料属性为1 选择选择 Apply2)用用 Num/Pick从中选取邻从中选取邻近衔铁面空气单元近衔铁面空气单元用框选取用框选取1-83虚功方法计算垂直力并用等值图显示虚功方法计算垂直力并用等值图显示 Postprocplot resultselem table在气隙中选取在气隙中选取空气单元空气单元 选择选择OK1-84 用路径图示选项用路径图示选项(PATH)能获得沿衔铁面的力的分布图能获得沿衔铁面的力的分布图 必须定义路径必须定义路径 Postprocpath operationsd

38、efine pathby nodes点取节点点取节点 2给一个任意的名字给一个任意的名字增加沿路径的数据采样点的数量增加沿路径的数据采样点的数量点取节点点取节点 1 选择选择 OK1-85 路径定义信息如下路径定义信息如下 路径内的结果插值是在总体坐标系下（与柱坐标系或其它局部坐标路径内的结果插值是在总体坐标系下（与柱坐标系或其它局部坐标系相比）系相比）路径由直线组成路径由直线组成1-86 单元表项单元表项FVW_Y 中的力必须插值到路径上中的力必须插值到路径上 Postprocpath operationsmap onto path 任意名任意名 选择选择 ETAB.FVW-Y 选择选择OK

39、1-87将将FVW_Y沿路径显示沿路径显示 Postprocpath operations-plot path items-on geometry路径图示迭加在几何体上路径图示迭加在几何体上已定义已定义将路径显示图缩放到一将路径显示图缩放到一个较好的程度个较好的程度 选择选择 OK1-88节点节点1-89离路径节点节点离路径节点节点1的距离的距离 路径上的力路径上的力(F_Y)也能打印输出也能打印输出 Postprocpath operationslist path items 选择选择OK1-90线圈线圈Lorentz力（力（J x B）选择线圈区域并定义为一个部件。选择线圈区域并定义为一个

40、部件。Utilityselectcomp/assemblyselect comp/assembly 选择线圈选择线圈 为为Lorentz 力定义单元表力定义单元表Postproelement tabledefine table选择选择 1-91任意名任意名作用于整个圆环上的作用于整个圆环上的 X 方向的方向的Lorentz 力力 选择选择 OK 选择选择 Add1-92 线圈线圈X方向方向 Lorentz 力的等值图力的等值图 Postprocelement tableplot elem table 选择选择 OK1-93 作用在线圈单元上的总力作用在线圈单元上的总力Postproelemen

41、t tablesum of each item 该操作作用于全部激活单元上该操作作用于全部激活单元上 相当于相当于360圆周上圆周上的受力的受力 力单位为牛顿力单位为牛顿:N1-94根据节点磁场值差异估计误差，且作为单元表数据贮存根据节点磁场值差异估计误差，且作为单元表数据贮存Postpromag&elec calc error eval B_ERR 单位单位(T)H_ERR 单位单位(Amps/m)BN_ERR 和和HN_ERR 由最大值归一化由最大值归一化1-95 BN_ERR 能用磁力线图进行等值显示能用磁力线图进行等值显示 图示图示 BN_ERR单元表项单元表项 Postproelem

42、ent tableplot elem table 选择选择 OK 激活激活NOERASE 选择选择 Utilityplot cntrlserase options1-96 图示磁力线图示磁力线Postproplot results2D flux lines 选择选择OK1-97 线性和非线性材料的共能计算线性和非线性材料的共能计算 Postproelec&mag calccoenergy 选择选择OK1-98也能计算贮能也能计算贮能Postprocelec&mag calcenergy注：铁的共能大约是贮能的注：铁的共能大约是贮能的8倍，表示铁的饱和效应所致倍，表示铁的饱和效应所致1-99铁单

43、元的磁导率能用等值图显示铁单元的磁导率能用等值图显示Postproelement table 选择选择ADDplane53单元在线帮单元在线帮助助 选择选择 OK 这是绝对磁导率这是绝对磁导率1-100为了获得相对磁导率，单元表应乘以为了获得相对磁导率，单元表应乘以MUZ系数系数将自由空间磁导率赋予参数将自由空间磁导率赋予参数:MUZ=12.57x10-7Postproelement tableadd items用已有名字用已有名字自由空间磁导率参数自由空间磁导率参数不需要第二个不需要第二个单元表项单元表项 选择选择OK1-101 用等值图显示相对磁导率用等值图显示相对磁导率MUR Postp

44、roelement tableplot elem table注意饱和区注意饱和区 选择选择t OK1-102 沿闭合线计算磁动势沿闭合线计算磁动势 MMF 确保整个模型都被激活确保整个模型都被激活 必须定义围绕线圈的路径必须定义围绕线圈的路径 Postproelec&mag calcdefine pathby nodes选取如图所示的选取如图所示的7个节点，个节点，可从任一节点开始可从任一节点开始路径的最终节点应与起路径的最终节点应与起始节点是同一个始节点是同一个跨越空气隙时，气隙两边的跨越空气隙时，气隙两边的铁边界上各选取一个节点铁边界上各选取一个节点1-103 完成路径定义完成路径定义由于

45、铁与空气的界由于铁与空气的界面处面处H值不连续，故值不连续，故应增加采样点的数应增加采样点的数目目 选择选择OK1-104绕闭合回线计算绕闭合回线计算MMF Postproelec&mag calcMMF 选择选择 OK MMF正负号由右手定则决定，路径的反时针方向与线圈电流的方向相反（正负号由右手定则决定，路径的反时针方向与线圈电流的方向相反（对于轴对称模型，正电流方向为进行平面方向）对于轴对称模型，正电流方向为进行平面方向）1-105 为了确定铁芯饱和程度，沿定子的中间部分定义一个路径并计算为了确定铁芯饱和程度，沿定子的中间部分定义一个路径并计算MMF选取节点选取节点 1选取节点选取节点2

46、MMF=-384 A-t1-106输入的总安匝数为输入的总安匝数为900，铁芯的中间部位有，铁芯的中间部位有384安匝，也就是空气隙中只安匝，也就是空气隙中只有有519安匝（忽略其余铁芯中的磁动势）安匝（忽略其余铁芯中的磁动势）如果如果384安匝中的大部分都在空气隙中，磁力会有多大？对于本问题，电安匝中的大部分都在空气隙中，磁力会有多大？对于本问题，电磁力至少会增加磁力至少会增加2倍。倍。可用另一种方法显示这一点：将铁芯的磁导率设为可用另一种方法显示这一点：将铁芯的磁导率设为1000，进行线性求解，进行线性求解1-107检查边界条件的正确与否非常重要检查边界条件的正确与否非常重要模型边界磁力线

47、的检查模型边界磁力线的检查 通量平行（用磁力线图检查）通量平行（用磁力线图检查）通量垂直（用磁力线图检查）通量垂直（用磁力线图检查）电流观察电流观察 选择线圈组件选择线圈组件 Postproelec&mag calccurrent 选择选择OK1-108对于线性系统对于线性系统:Postproelec&mag calcTerminal par 对于非线性系统一两种理论选项对于非线性系统一两种理论选项 割线定义割线定义 增量定义增量定义简易割线计算简易割线计算 利用共能利用共能(C)，L=2 Ci2，仿照电机计算仿照电机计算更精确的方法更精确的方法:LMATRIX 宏宏 Solumagnetic

48、inductance 见帮助文档中的说明和实例见帮助文档中的说明和实例1-109第二章第二章第第4节节二维静磁学二维静磁学1-110线性永磁体线性永磁体 感应曲线为线性感应曲线为线性 可模拟大部分稀土磁体可模拟大部分稀土磁体 计算需要有计算需要有“感应曲线感应曲线”要求两种材料性质要求两种材料性质 相对磁导率相对磁导率 r 各向同性各向同性 正交各向异性正交各向异性 矫顽磁力矫顽磁力 Hc 矢量值矢量值利用单元坐标系定义材料性质利用单元坐标系定义材料性质 缺省缺省:总体直角坐标系总体直角坐标系H(Amp/m)B(T)BrHc固有曲线固有曲线感应曲线感应曲线第二象限曲线图第二象限曲线图稀土磁体典

49、型曲线稀土磁体典型曲线1-111 r 和和Hc 可以是随温度变化可以是随温度变化 磁化方向磁化方向 平行平行/垂直于磁体中心线垂直于磁体中心线 相对于某中心点径向相对于某中心点径向/环环向向 材料库中不提供材料库中不提供r 和和 Hc的的缺省值。缺省值。现代技术的进步使磁体现代技术的进步使磁体性能不断提高性能不断提高 年代年代1-112相对于直线感应曲线的磁体只要求相对于直线感应曲线的磁体只要求Hc和一个单值的磁导率和一个单值的磁导率对于永磁材料，为了改善精度，利用剩磁感应密度对于永磁材料，为了改善精度，利用剩磁感应密度(Br)和和Hc 来计算来计算磁导率磁导率r =Br/(0 Hc)为使用方

50、便，自由空间磁导率参数为使用方便，自由空间磁导率参数MUZ可以在命令窗口输入可以在命令窗口输入MUZ=acos(-1)*IE-7缺省值时，角度的单位为弧度。用缺省值时，角度的单位为弧度。用SIN或或COS 函数来计算函数来计算Hc的分量的分量时，常用时，常用“度度”单位。因此角度的单位要变换：单位。因此角度的单位要变换：Utilityparametersangular units选择选择 OK 在输入窗口中输入在输入窗口中输入HC*COS(60)来代替数值输入来代替数值输入1-113各向同性各向同性单元坐标系缺省为总体直角坐标单元坐标系缺省为总体直角坐标系系Preprocmaterial pr

51、opsisotropic材料材料 2 磁化方向平行于总体坐标+X 方向Br=1T Hc=700,000 A/m空气空气 选择选择 OK 选择选择 OK1-114正交各向异性正交各向异性单元坐标系缺省为总体直角坐标系单元坐标系缺省为总体直角坐标系Preprocmaterial propsorthotropic 材料 2 磁化方向为总体坐标磁化方向为总体坐标+X 方方向反时针旋转向反时针旋转60 度度Br=1 Hc=700,000 A/m 选择选择 OK 选择选择 OK1-115Hc值仍然为值仍然为700,000 A/mHc是在总体直角坐标下表示是在总体直角坐标下表示的的由于模型对称，由于模型对称

52、，B的最大值的最大值不变不变 材料材料 21-116问题描述问题描述 平面，圆环磁体平面，圆环磁体 磁体四极设置在磁体外圆圈磁体四极设置在磁体外圆圈上上 磁化方向为极向（柱坐标系磁化方向为极向（柱坐标系）分析目的分析目的 模拟磁化特性模拟磁化特性SNSN磁极中心（象征性的）磁极中心（象征性的）1-117属性属性磁体磁体:Hc=50,000 A/m Br=850 Gauss尺寸尺寸:内径内径=.5 cm 外径外径=1 cm励磁励磁:没有没有永磁体永磁体1-118对称条件对称条件 只需模拟一个磁极只需模拟一个磁极边界条件边界条件 侧边侧边:通量平行通量平行 外半径外半径:通量垂直通量垂直为了确定外

53、半径上的磁极中心，为了确定外半径上的磁极中心，需要定义一个局部坐标系，该局需要定义一个局部坐标系，该局部坐标系的部坐标系的X轴为总体轴为总体X轴反时针轴反时针旋转旋转45度度通量平行条件通量平行条件磁极中心磁极中心1-119 输入输入cir1pole.mac宏建立模型宏建立模型 定义材料定义材料2的磁体性质的磁体性质 Preprocmaterial propsorthotropic材料材料 2材料材料 1 选择选择 OK1-120 输入输入Y方向磁体属性（柱坐标系的切线方向，该坐标系待后定义）方向磁体属性（柱坐标系的切线方向，该坐标系待后定义）选择选择OK 选择选择OK 输入空气的各向同性磁导

54、率（材料输入空气的各向同性磁导率（材料1）Preproc.material propsisotropic 选择选择OK1-121在外半径上离总体坐标系在外半径上离总体坐标系+X 轴轴45度处，定义局部坐标度处，定义局部坐标11Utilityworkplanelocal coord.systemscreate local CSat specified loc 在在ANSYS输入窗口中，利用外半径输入窗口中，利用外半径0.01，角度，角度45，输入局部坐标系原点，输入局部坐标系原点位置坐标位置坐标 回车（键盘）回车（键盘）在建立局部坐标系框内选择在建立局部坐标系框内选择OK1-122定义了局部坐标

55、系定义了局部坐标系11后，在单元图上会显示其标志后，在单元图上会显示其标志11号局部极坐标系，其号局部极坐标系，其与磁极中心相对应与磁极中心相对应1-123输入输入11以标志该坐标系以标志该坐标系选择坐标系的类型选择坐标系的类型在命令行输入的参数表在命令行输入的参数表达式的结果达式的结果 选择选择 OK1-124磁体单元的单元坐标系磁体单元的单元坐标系(ESYS)属性相应于属性相应于11号局部坐标系号局部坐标系改变单元坐标系改变单元坐标系 通过材料属性通过材料属性(2)选择磁体单元选择磁体单元Utilityselectentitieselementsby attributesmaterial

56、2Preprocmove/modifymodify attrib在选择框内选择在选择框内选择“Pick All”选择选择 OK1-125在模型侧边施加通量平行边界条件在模型侧边施加通量平行边界条件.Preprocloadsapplyboundary-flux parl-on lines进行求解进行求解Soluelectromagneticopt&solv 1-126图形显示磁力线图形显示磁力线 观察通量平行边界条观察通量平行边界条件件 在磁体平面内磁力线在磁体平面内磁力线呈圆形性质呈圆形性质 由于磁体磁导率低而由于磁体磁导率低而产生漏磁产生漏磁1-127利用磁通密度的矢量图能观察场量的大小和方

57、向利用磁通密度的矢量图能观察场量的大小和方向 选择选择 OK1-128 磁通密度磁通密度B的方向相应于的方向相应于MGYY和和11号坐标系正切向号坐标系正切向1-129磁体非线性感应曲线也能用磁体非线性感应曲线也能用于模拟于模拟.MGXX,MGYY 视为线性磁视为线性磁体输入体输入感应曲线用与非永磁体材料感应曲线用与非永磁体材料相同的方法输入相同的方法输入 感应曲线的输入值被偏感应曲线的输入值被偏置一个置一个Hc 值值Br(T)B(T)Hc(Amp/m)H(Amp/m)1-130Hc=50,400(Amp/m)单位单位:H(Amp/m)&B(T)ALNICO 5 系列材料实例系列材料实例输入数

58、据的输入数据的BH曲线曲线1-131最后数据点所对应的最后数据点所对应的H值应于比值应于比Hc大大最末斜率接近于自由空间的磁导率最末斜率接近于自由空间的磁导率第一个数据点并不是原点（即（第一个数据点并不是原点（即（0，0）点不需要输入）点不需要输入）1-132第二章第二章 第第5节节二维静磁学二维静磁学 1-133应用应用问题描述问题描述 平面磁性离合器平面磁性离合器 六极装置六极装置 平行磁化平行磁化分析目的分析目的 利用奇对称周期性条件来利用奇对称周期性条件来模拟模拟1/6模型模型 计算图示状态的力矩计算图示状态的力矩定子定子磁性离合器磁性离合器转子转子1-134性质性质定子和转子磁体定子

59、和转子磁体:Hc=750,000 A/m Br=.9896 (r=1.05)定子和转子磁体定子和转子磁体SA1010转子磁化方向转子磁化方向 (水平方向反时针水平方向反时针30度）度）定子磁化方向：水平定子磁化方向：水平模型参数模型参数 半径单位半径单位(R):英寸英寸励磁励磁:无无磁离合器磁离合器1/12模型模型转子铁，转子铁，材料材料 2转子磁体转子磁体，材料，材料 3定子磁体定子磁体，材料，材料 6定子铁，定子铁，材料材料 5(上面只显示了一半模型上面只显示了一半模型)1-135利用利用clutch.mac宏命令建模宏命令建模 实体模型和单元（国际单位制）实体模型和单元（国际单位制）SA

60、1010系列铁系列铁 将定子磁体单元和铁单元定义为一个部件将定子磁体单元和铁单元定义为一个部件S_IRON 每个转子磁体各有一个单元坐标系每个转子磁体各有一个单元坐标系材料号材料号该磁体单元的该磁体单元的X方向为方向为11号号局部坐标系的局部坐标系的X方向方向该磁体单元的该磁体单元的X 方向为方向为12号局部坐标系的号局部坐标系的X方向方向1-136对材料对材料2和和3定义为各向同性磁体性质定义为各向同性磁体性质Preproc.material propsisotropic 重复这些步骤，定义定子磁体材料重复这些步骤，定义定子磁体材料3 选择选择 OK 选择选择OK1-137为转子磁体平行磁化

61、方向定义为转子磁体平行磁化方向定义11号局部坐标系号局部坐标系 水平方向反时针水平方向反时针30度（总体坐标度（总体坐标+X 轴）轴）局部坐标系原点与总体坐标系一致局部坐标系原点与总体坐标系一致Utilityworkplanelocal coord.systemscreate local CSat specified location 回车（键盘）回车（键盘）在选择框选取在选择框选取OK1-13811号局部坐标系的号局部坐标系的X轴与总轴与总体坐标系体坐标系X轴的夹角轴的夹角 选取选取OK1-139采用与前面相同的方法为下面转子磁体建立采用与前面相同的方法为下面转子磁体建立12号局部坐标系号局

62、部坐标系下面转子磁体是下面转子磁体是-30,但方向相但方向相反反(180)选择选择OK0-30+1801-140为了观察单元坐标系的变化，要激活单元坐标系标记为了观察单元坐标系的变化，要激活单元坐标系标记 Utilityplot cntrlssymbols选择选择 OK“白白”“”“绿绿”坐标轴分别相坐标轴分别相应于单元轴的应于单元轴的X、Y方向方向1-141给定子外半径加上通量平行条件给定子外半径加上通量平行条件Preprocloadsapplyboundary-flux par lon lines(选择定子铁体外半径上弧线选择定子铁体外半径上弧线)通过强迫内半径上节点的通过强迫内半径上节点

63、的MVP保持常数，在转子铁体内半径上保持常数，在转子铁体内半径上施加通量平行边界条件施加通量平行边界条件 选择转子内半径上节点选择转子内半径上节点 对内半径上节点进行耦合对内半径上节点进行耦合Preproccouple DOFs （在选择框选择在选择框选择pick ALL)选择选择OK1-142激活总体坐标系激活总体坐标系Utilityworkplanechange active CSglobal CS识别模型内外半径位置识别模型内外半径位置 关键点关键点 9:模型内半径上模型内半径上 关键点关键点19:模型外模型外 半径上半径上1-143周期性边界条件必须施加到离合器两侧周期性边界条件必须施

64、加到离合器两侧Preprocloadsboundary periodic BCs选择选择OK用关键点函数功用关键点函数功能得到内外半径能得到内外半径的值的值 选择选择OK模型另一侧边模型另一侧边的位置的位置1-144磁离合器磁离合器1/6模型边界条件模型边界条件耦合使内半径满足通耦合使内半径满足通量平行条件量平行条件各自的约束方程保各自的约束方程保证了奇对称条件证了奇对称条件强制约束使外半径满足强制约束使外半径满足通量平行条件通量平行条件1-145利用求解时贮存的单元数据来计算力矩，故必须设置力矩计利用求解时贮存的单元数据来计算力矩，故必须设置力矩计算标志算标志Preprocloadsappl

65、yflagcomp.Force/torq(利用宏命令定义的利用宏命令定义的 S_IRON 组件组件)施加相应的表面标施加相应的表面标志以计算力志以计算力/力矩力矩(只图示模型上半部分）只图示模型上半部分）1-146求解计算求解计算Soluelectromagnetopt&solv磁力线图磁力线图1-147计算力矩计算力矩Postprocelect&mag calccomp.Torque (选择选择 S_IRON 组件组件)力矩作用于定子力矩作用于定子注意：力矩单位为单位长度注意：力矩单位为单位长度牛米牛米1-148利用利用Maxwell应力张量方法由路径计算也能计算力矩应力张量方法由路径计算也

66、能计算力矩 Postproelec&mag calccircular torq计算力矩时的计算力矩时的圆形路径半径圆形路径半径 选择选择 OK1-149力矩作用在转子上使定子和转子磁极成一直线排列力矩作用在转子上使定子和转子磁极成一直线排列力矩计算路径力矩计算路径1-150模拟有许多磁极的电机，周期性边界模拟有许多磁极的电机，周期性边界条件非常有用条件非常有用右图显示的是一个右图显示的是一个10极永磁极永磁电机电机模拟转子的运动。当转子转模拟转子的运动。当转子转动时，电流会变化。动时，电流会变化。定子槽内显示电流密度定子槽内显示电流密度本模型也允许转子和定子相本模型也允许转子和定子相互独立互独立观看动画，可执行动画文件观看动画，可执行动画文件:mach2d.avi定子定子转子转子1-151 应用应用 问题描述问题描述 轴对称致动器轴对称致动器 分析目的分析目的 计算衔铁在任意垂直位置计算衔铁在任意垂直位置时的电磁力时的电磁力线圈线圈定子定子衔铁衔铁1-152性质性质 定子定子/衔铁：铁介质衔铁：铁介质 r=1000 线圈线圈:空气磁导率空气磁导率 空气空气:空气磁导率空气磁导率励磁励磁