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ANSYS电磁场分析南 第六章 3-D静态磁场分析(棱边元方法.doc 27页
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ANSYS电磁场分析南 第六章 3-D静态磁场分析(棱边元方法
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第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边单元方法）
6.1何时使用棱边元方法
在理论上，当存在非均匀介质时，用基于节点的连续矢量位A来进行有限元计算会产生不精确的解，这种理论上的缺陷可通过使用棱边元方法予以消除。这种方法不但适用于静态分析，还适用于谐波和瞬态磁场分析。在大多数实际3-D分析中，推荐使用这种方法。在棱边元方法中，电流源是整个网格的一个部分，虽然建模比较困难，但对导体的形状没有控制，更少约束。另外也正因为对电流源也要划分网格，所以可以计算焦耳热和洛伦兹力。
用棱边元方法分析的典型使用情况有：
·感应加热
·螺线管电磁铁
·强场磁体
·非破坏性试验
·电解装置
·粒子加速器
·医疗和地球物理仪器
《ANSYS理论手册》不同章节中讨论了棱边单元的公式。这些章节包括棱边分析方法的概述、矩阵列式的讨论、棱边方法型函数的信息。
对于ANSYS的SOLID117棱边单元，自由度是矢量位A沿单元边切向分量的积分。物理解释为：沿闭合环路对边自由度（通量）求和，得到通过封闭环路的磁通量。正的通量值表示单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号（由单元边连接）。磁通量方向由封闭环路的方向根据右手法则来判定。
在ANSYS中，AZ表示边通量自由度，它在MKS单位制中的单位是韦伯（Volt·Secs），SOLID117是20节点六面体单元，它的12个边节点（每条边的中间节点）上持有边通量自由度AZ。单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号。在动态问题中，8个角节点上持有时间积分电势自由度VOLT。
ANSYS程序可用棱边元方法分析3-D静态、谐波和瞬态磁场问题。（实体模型与其它分析类型一样，只是边界条件不同），具体参见第7章，第8章。
6.2单元边方法中用到的单元
表 1三维实体单元
单元 维数 形状或特性 自由度
SOLID117 3-D 六面体, 20 节点 中间边节点处的边通量AZ，角节点处的电标势VOLT
6.3物理模型区域的特性与设置
对于包括空气、铁、永磁体、源电流的静态磁场分析模型，可以通过设置不同区域不同材料特性来完成。参见下表，详情在后面部分叙述。
空气 DOF: AZ
材料特性：mr(MURX)
铁 DOF: AZ
材料特性：mr(MURX)或B-H曲线(TB命令)
永磁体 DOF: AZ
材料特性：mr(MURX)或B-H曲线(TB命令)，Hc(矫顽力矢量MGXX,MGYY,MGZZ)
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。
（见下图） DOF: AZ
材料特性：mr(MURX)
特殊特性：加源电流密度JS(用BFE,,JS命令)
6.4用棱边单元方法进行静态分析的步骤
用棱边元方法进行静态磁场分析的步骤如下：
1.在GUI菜单过滤项中选定Magnetic-Edge项。
　　GUI: Main Menu&Preferences&Electromagnetics:Magnetic-Edge
2.定义任务名和题目。
　　命令：/FILNAME和/TITLE
GUI:Utility Menu&File&Change Jobname
Utility Menu&File&Change Title
3.进入ANSYS前处理器。
　　命令：/PREP7
GUI:Main Menu&Preprocessor
4.选择SOLID117单元。
　　命令：ET,,solid117
GUI:Main Menu&Preprocessor&Element Type&Add/Edit/Delete
5.定义材料特性（与第二章类似）。
　　命令：MP
GUI:Main Menu&Preprocessor&Material Props&Material Models&Electromagnetics&Relative Permeability&Constant
GUI:Main Menu&Preprocessor&Material Props&Material Models&Electromagnetics&BH Curve
6.建立模型，用Main Menu&Preprocessor&-Modeling-界面，详见《ANSYS建模与分网指南》。
7.赋予特性。
　　GUI: Main menu&Preprocessor&-Attributes-Define
8.划分网格（用Mapped网格）。
　　命令：VMESH
　　GUI:Main Menu&Preprocessor&-Meshing-Mesh&-Vol
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& ANSYS软件在永磁同步发电机空载磁场分析中的应用
ANSYS软件在永磁同步发电机空载磁场分析中的应用
ANSYS软件在永磁同步发电机空载磁场分析中的应用
微电机　2006年　第39卷　第8期(总第155期)
中图分类号:TM313　　　　　　文献标识码:A　　　　　　文章编号:06)
ANSYS软件在永磁同步发电机空载磁场分析中的应用
敖惠君,刘景林,乔　璐
(西北工业大学,西安　710072)
摘　要:介绍了有限元件软件ANSYS在电磁场分析中的应用。通过1,介绍了AN2SYS软件在永磁同步发电机空载磁场分析中的应用,力线分布图和磁感应强度分布云图,,。关键词:有限元分析;;2FieldAnalysisofPermanentMagnetic
SynchronousGeneratorswiththeAnsyssoftAOHui2jun,LIUJing2lin,QIAOLu
(NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xiπan710072,China)
ABSTRACT:ThispaperintroducestheapplicationofsoftwareANSYSwithfiniteelementmeth2odintheelectromagneticfield.Throughadesignexample,theanalysisofnoloadelectromag2neticfieldinthepermanentmagneticsynchronousgeneratorsareintroduced.ThepicturesofmagneticlinesoffluxandmagneticfluxdensityareobtainedbypostprocessingofANSYS.Theabstractconceptionofelectromagneticfieldaremoreclearlyshowedinfrontofpeople.
KEYWORDS:FPermanentmagneticsENo2Ansyssoft
ANSYS进行电机内电磁场分析的具体过程。电机参
永磁电机的电磁场分布较为复杂。为保证计算
的准确,一般采用有限元法对电机内部电磁场进行数值计算。基于迦辽金或变分原理的有限元法将偏微分方程表征的连续函数所在的封闭场域划分成有限个小区域,每一个小区域用一个选定的近似函数来代替,于是整个场域上的函数被离散化,由此获得一组近似的代数方程,并联立求解,获得该场域中函数的近似数值。本文以大型通用有限元分析软件ANSYS为基础,对永磁同步发电机进行磁场分析。使用者需输入所要计算的问题,便可获得结果,而不需要了解有限元求解的详细过程,极大地方便了使用,节省了设计人员的时间和精力。
1　永磁同步发电机空载磁场有限元分析
本文以作者设计的1台永磁同步发电机为例对电机的空载磁场进行分析,较为详细地说明了用
收稿日期:　　
数如下:额定容量400VA,电压等级36V,功率因
数0175,额定转速4900r/min,电压调整率≤3%。
电机结构为4对极,30个槽,槽形为梨形口扇形槽。文章对电机的整体进行二维电磁场分析,场域整体剖分采用四边形八节点形式。由于电机中分析最多的是垂直于电机轴的平行平面场,这时电流密度和磁矢位只有Z轴方向的分量,所以采用矢量磁位AZ求解。对电机做如下假设:
(1)采用二维场模拟实际磁场,选用MSK国际单位制,直角坐标系。
(2)不计交变磁场在导电材料中的涡流反应,因此永磁同步发电机的磁场可作为非线性稳定磁场来处理。
(3)忽略装配误差。
(4)铁心里的磁导率是各向同性的。
在以上假设的前提下,得到下列非线性泊松方程和边界条件:
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Ansys电磁场分析经典教程选编.ppt 427页
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Ansys电磁场分析经典教程选编
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目录 第一章
电磁场仿真简介……………………………………… …… …… …… ……
二维静态分析
第1节……………………………………………………………………………..…
第2节……………………………………………………………….……….………
第3节…………………………………………………………………….….………
第4节…………………………………………………………………………..……
第5节……………………………………………………………………………..… 第三章
二维谐波和瞬态分析
第1节…………………………………………………………………………….….
第2节…………………………………………………………………...………….. 第四章
三维电磁场分析
第1节…………………………………………………………………………...….…
第2节…………………………………………………………………….………
第3节………………………………………………………………….…..…….….
第4节………………………………………………………………….……...…….
第5节…………………………………………………………………….…...……. 第五章
耦合场分析概况……………………………………………………………………………..
2.1-1 2.2-1 2.3-1 2.4-1 2.5-1
3.1-1 3.2-1
4.1-1 4.2-1 4.3-1 4.4-1 4.5-1
5-1 第一章 教程综述 ANSYS/EMAG能用于模拟工业电磁装置 电磁装置当然是3维，但可简化 为2维模型 。 模拟可考虑为： 稳态 交流（谐波） 时变瞬态 阶跃电压 PWM(脉宽调制）
（Pulse Width Modulation) 任意
利用轴对称衔铁和平面定子设计致动器的一个实例 衔铁旋转 衔铁气隙可变化 完整模型由2个独立部件组成 衔铁模块 定子模块 模拟过程概述 利用如下方式观察装置 2D与3D 平面与轴对称 利用轴对称平面简化模型 定义物理区域 空气，铁，永磁体等等 绞线圈，块导体 短路，开路 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 建实体模型 给模型赋予属性以模拟物理区 赋予边界条件 线圈激励 外部边界 开放边界 实体模型划分网格 加补充约束条件（如果有必要） 周期性边界条件 连接不同网格 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
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) .
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
设置预选过滤掉其它应用的菜单 Main menu&preferences 定义所有物理区的单元类型为 PLANE53
Preprocessor&Element type&Add/Edit/Delete
选择磁矢量和8节点53号单元
选择 OK 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 定义材料
Preprocessor&Material Props&Isotropic 定义衔铁为2号材料 定义线圈为3号材料 (自由空间导磁率，MURX=1) 建立衔铁面
Preprocessor&Create&Rectangle&By Dimensions 建立空气面
用Overlap迫使全部平面连接在一起
Preprocessor&Operate& Overlap&Areas 按Pick All
这些平面要求与物理区和材料联系起来
Preprocessor&-Attributes-Define&Picked Areas 用鼠标点取衔铁平面 选择OK (在选取框内） 材料号窗口输入2
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 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&
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