NSYS电磁场分析指南 第九章 3D静态谐波和瞬态分析节点法Word文档格式.docx

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EMODIF

MainMenu>

-Modeling-Move/Modify>

-Elements-ModifyAttrib

（3）设置电流方向为（DIRX,DIRY,DIRZ）=（0,1,0）。

对称系数（CSYM）

CSYM（对称系数）*VOLU（有限元体积）就是整个线圈的总体积。

填充系数（FILL）

在线圈横截面中导体所占的比例，可用以调整线圈阻抗。

9.1.1.2速度效应

可求解运动物体在特定情况下的电磁场，2-D静磁分析讨论了运动体的应用和限制，在3-D中，只有SOLID97单元类型能通过设置单元KEYOPT选项来考虑速度效应。

9.1.2定义分析类型

用与2D静态磁场分析相同的方式定义3D静态磁场分析，即，可以通过菜单路径MainMenu>

Solution>

NewAnalysis、或者用命令ANTYPE,STATIC,NEW来定义一个新的静态磁场分析；

或者用ANTYPE,STATIC,REST命令来重启动一个3-D分析。

如果使用了速度效应，不能在3D静态分析（ANTYPE,STATIC）中直接求解具有速度效应的静态直流激励场，而要用具有很低频率的时谐分析（ANTYPE,HARMIC）来完成。

9.1.3选择方程求解器

EQSLV

AnalysisOptions

3D模型建议使用JCG或PCG法进行求解。

而对于载压模型、载流模型、或有速度效应的具有非对称矩阵的模型，只能使用波前法、JCG法、或ICCG法求解。

电路激励模型只能用稀疏矩阵法或波前法求解器。

9.1.4加载和求解

进入求解器：

/SOLU

Solution

3-D静态MVP分析的载荷与2-D静态分析稍有些不同，但其菜单路径是一样的。

下面是关于3-D静态磁场分析的一些加载：

9.1.4.1磁矢量势

该载荷用以定义磁力线垂直、磁力线平行、远场、周期边界条件、以及强加外磁场等载荷和边界条件，下表描述了各种边界条件相应的磁矢量势值：

边界条件

AX,AY,AZ值

磁力线垂直

用DSYM,asym命令使A的垂直分量为0.

GUI:

　MainMenu>

-Loads-Apply>

-Magnetic-Boundary>

-VectorPoten-FluxNormal-OnNodes.

磁力线平行

令A的面内的分量为0.

远场

用单元INFIN111.

远场为零

AX=AY=AZ=0.

周期性

CE或CP

MainMenu>

Coupling/Ceqn>

ConstraintEqn

CoupleDOFs

外加磁场

A（X,Y,Z）不等于0.

如果用INFIN111号单元表示模型无限远边界，则不用定义远场为0的边界条件。

用CE或CP命令或者相应的等效路径施加周期性或者循环对称条件。

对于外加磁场，定义不为0的各个分量AX，AY，AZ。

9.1.4.2力标志

给单元组件加Maxwell表面和虚位移标志可参见第二章中的说明。

9.1.4.3电压降（VLTG）

用这些载荷定义绞线圈电压降。

在MKS单位制中，VLTG单位是伏特，电压降载荷只对使用了AX，AY，AZ，CURR自由度的SOLID97单元有效。

要得到正确的解，必须藕合导体所有节点的CURR自由度。

9.1.4.4电流段（CSG（X，Y，Z））

电流段加节点电流载荷，在MKS制中，电流段单位为安培-米。

9.1.4.5Maxwell表面（MXWF）

见第二章中的说明。

9.1.4.6源电流密度（JS）

加电流到源导体，在MKS制中，电流密度JS单位为安/米2。

由于电磁分析的连续方程必须满足，所以此处施加的源电流密度必须是无散度的，这一点必须得到保证，如果有误，则SOLID97单元会解算出错误结果，并且不给出任何警告信息！

在某些情况下，源电流密度的幅值和方向都是恒定的，自然满足无散度条件，此时就可用下面描述的BFE命令施加电流。

在其它很多复杂情况下，源电流密度的分布事先是不知道的，此时就需要先执行一个静态电流传导分析（见第13章），一旦确定下电流，就可以用LDREAD命令将其读入磁场分析中。

9.1.4.7磁虚位移

9.1.5备份数据

用工具条中的SAVE_DB按钮来备份数据库，如果计算机出错，可以方便的恢复需要的模型数据。

恢复模型时，用下面的命令：

RESUME

UtilityMenu>

File>

ResumeJobname.db

9.1.6求解

对非线性分析，求解分为二步：

1.将载荷以斜坡加载的方式加到3到5个子步上去，每个子步用一次平衡迭代；

2.在一个子步中求得最终解，这个子步需10次平衡迭代。

通过下面的命令完成：

MAGSOLV（将OPT域设为零）

-Solve-Electromagnet>

-StaticAnalysis-Opt&

Solv

9.1.7完成求解

离开求解器：

　　命令：

FINISH

Finish

9.1.8计算电感矩阵和磁链

使用LMATRIX宏命令可以计算线圈系统的微分电感矩阵和每个线圈的总磁链:

LMATRIX

-StaticAnalysis-Induct

Matrix

计算电感矩阵需要几个步骤，首先将线圈单元定义为部件，定义名义电流，然后在工作点执行一次名义求解，第11章有详细介绍。

9.2后处理

ANSYS和ANSYS/Emag程序将3D静态磁场分析的数据结果写入到Jobname.RMG文件中，结果数据包括：

主数据：

节点自由度（AX,AY,AZ,CURR）

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）

节点磁力（FMAG:

X,Y分量和SUM）

节点感生电流段（CSGX,CSGY,CSGZ）

单元源电流密度（JSX,JSY,JSZ）

单位体积生成的焦耳热（JHEAT）

等等。

进入通用后处理器/POST1，进行下列后处理操作：

/POST1

GeneralPostproc

9.2.1从结果文件中读入数据

9.2.1.1通量线

3-D矢量分析得不到通量线（磁力线），但可利用磁通密度矢量显示来观察通量路径。

9.2.1.2等值图显示、矢量显示、列表显示、电磁力

详见第二章。

9.2.1.3带电粒子示踪

在《ANSYS基本过程指南》的第5章和第12章中还详细介绍了怎样以图形的方式显示带电粒子在磁场中的轨迹

9.2.1.4线圈电组和电感

对于载压和载流线圈，可以计算线圈电阻和电感。

每个单元都存储有电阻和电感值，对这些值求和就得到导体模型区的总电阻和总电感。

这通过单元表来实现，先选择导体单元，再用ETABLE,tablename,NMISC,n命令或它的等效菜单路径（n=16为电阻，17为电感），最后用SSUM命令或它的等效菜单路径对这些数据进行求和。

对于载压线圈（SOLID97的KEYOPT

（1）=2）或电路耦合线圈（SOLID97的KEYOPT

（1）=3）所计算的电感值仅在下列情况有效：

线性问题（导磁率为常数）；

模型没有永磁体；

模型只有一个线圈。

由多线圈组成的系统采用LMATRIX宏来计算微分电感矩阵和每个线圈的总磁链。

LMATRIX宏的详情参见11章。

9.2.2计算其它选项

可以从后处理数据中计算许多其它感兴趣的项（例如总力、力矩、源输入能、电感、磁链和端电压）。

ANSYS为这些计算提供了如下宏命令：

EMAGERR宏：

计算静电场或电磁场分析中的相对误差。

FLUXV宏：

计算通过一条封闭曲线的通量。

FMAGSUM宏：

对单元组件上电磁力求和。

MMF宏：

计算沿一条路径的磁动势。

SENERGY宏：

确定存储的磁能或共能。

这些宏更详细讨论见第十一章“磁宏”

9.3节点法（MPV）3D谐波磁场分析

像ANSYS分析的其他类型一样，谐波磁分析要定义物理环境、建模、加载和求解、然后观察结果。

3-D谐波磁分析的大部分过程都与2-D谐波分析过程类似。

9.4建立3-D谐波磁分析的物理环境

除了以下将要描述的内容外，节点法3-D谐波分析的过程与第二章内所描述的过程类似。

节点法3-D谐波分析使用SOLID62、SOLID97和CIRCU124单元。

在ANSYS基本分析过程指南和ANSYS建模和分网指南中对模型的建立有详细的介绍。

当你定义材料性质时，通常使用在第2章中所讨论的相同方法，即使用ANSYS材料库中现存的材料性质或ANSYS用户自定义的材料性质。

9.4.1使用自由度来控制3D分析中导体上终端条件

当进行一个节点法3-D谐波分析时，ANSYS程序提供一些选项来控制导体上终端条件。

这些选项包括在导体区增加不同的自由度（DOFs）。

在节点法3-D分析中，对于导体和终端，存在二种自由度选项：

9.4.1.1AX，AY，AZ，VOLT选项

具有AX、AY、AZ、VOLT自由度设置的导体能模拟短路和开路二种情况。

VOLT自由度表示时间积分电势。

使用这种自由度设置，建立合适的感应（涡流）电流方向，电流将平行于未定义的导体边界和垂直于等电势边界流动。

可按下述方式建立短路条件：

在导体对称平面定义VOLT=0，这表示没有网路电位。

对不接入电路的3-D结构，在一个节点处设置VOLT=0。

赋予合理的磁通量平行或垂直边界条件。

可按下述方式建立开路条件：

对于对称结构，在一个平面设置VOLT=0，在另一个平面耦合所有节点。

对于一般3-D结构，在一个节点设置VOLT=0。

赋给合理的磁通量平行或垂直边界条件。

要模拟一个载流块状导体，可“切割”该导体，并在一个切割面设置VOLT=0，然后在另一面耦合VOLT自由度，且在一个节点输入励磁电流：

F，，AMPS

Electric-Excitation>

-ImpressedCurr-

9.4.1.2AX，AY，AZ，CURR选项

AX，AY，AZ，CURR选项类似于2-D的AZ+CURR选项。

在3-D分析中用它模拟一个电压供电绕线导体，CURR自由度表示线圈绕组每匝电流。

只有SOLID97单元可以模拟载压绕线圈，这种单元必须定义实常数来表征绕线导体。

大部分实常数的描述可参见第2章“2-D静磁分析”和第5章“3-D静磁分析（标量法）”。

在3-D分析中，还可定义下列线圈常数：

CARE（线圈截面积，它表示绕线圈的真实物理截面积）

TURN（线圈总匝数，它表示绕线圈绕组的总匝数）

VOLU（模型导体体积（并非真实体积，只是建立了分析模型的那部分体积））

DIRX，DIRY，DIRZ（表示电流流向的单位矢量）

CSYM（对称系数，它乘以VOLU就可得到实际的线圈体积）

这些实常数的描述可参见图2：

（1/8线圈模型）

注意：

线圈截面部分不能改变，通过用ESYS命令（MainMenu>

-Modeling-Create>

Elements>

ElemAttributes）定义单元坐标系的方式来简化电流方向的定义。

9.4.2定义和设置模型的物理区域

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：

mr（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

对于对称性结构，令一面的VOLT=0，再耦合另一面的节点。

对于一般3-D结构，令一个节点的VOLT=0。

载流绞线圈

AX,AY,AZ

mR（MURX）

没有涡流，可以加源电流密度,JS。

短路导体

AX,AY,AZ,VOLT

令导体对称面上的VOLT=0。

载压绞线圈

DOFS：

AX，AY，AZ，CURR

线圈区域所有节点的CURR自由度必须耦合

叠片铁芯

自由度：

AX，AY，AZ

材料性质：

μr（MURX）

没有涡流

空气

运动导体

（速度效应）

可用SOLID97单元模拟恒速运动导体的速度效应，关于运动导体详情，见本章和第2章

9.4.3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。

对于运动导体分析，可以采用下列实常数：

VELOX，VELOY，VELOZ

总体笛卡儿坐标系下的X、Y、Z三个方向的速度分量

OMEGAX，OMEGAY，OMEGAZ

总体笛卡儿坐标系下的X、Y、Z三个方向的角速度分量（单位为HZ），旋转中心由XLOC，YLOC和ZLOC确定

XLOC，YLOC，ZLOC

旋转中心的总体笛卡儿坐标系的坐标值分量

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（AX，AY，AZ和VOLT自由度）来实现。

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0.001HZ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。

9.4.4功率损失

详见第3章。

注意理解功率损失，把功率损失值乘以因数2表示“静”激励直流功率损失。

可利用运动导体的功率损失来计算运动方向上导体上拉力：

功率损失=力*速度（即力和速度之积）

9.4.5建模帮助

ANSYS程序提供RACE宏来由SOURC36单元自动建立一个跑道形线圈，虽然该线圈为MSP区域，但可利用界面单元INTER115将MSP区域与MVP区域连接起来。

9.5加载和求解

节点法3-D谐波磁分析的载荷和分析过程及其GUI路径都相似于2-D谐波磁分析。

对于3-D谐波载荷，差别如下：

对于3-DSOLID62和SOLID97单元，加载电流（AMPS）要求单元有AX，AY，AZ，VOLT自由度，电流表示流过导体的总电流。

当在3-D模型上加电流时，选择集肤效应区横截面上的全部节点，耦合它们的VOLT自由度，然后把电流加到截面的一个节点上。

节点法3-D谐波分析的求解过程与第3章描述的过程一样。

9.6观察结果

与第3章描述的内容一样。

9.7节点法（MPV）3D瞬态磁场分析

9.7.1建立3D瞬态分析的物理环境

该过程与第4章描述的内容相似，只是有以下几点不同：

使用SOLID62，SOLID97和CIRCU124单元类型，这些单元的描述见本手册第5章。

在ANSYS单元参考手册中能找到全部单元的深入描述。

用在本章中所描述的终端条件代替第3章中所讨论的那些条件。

在节点法3-D瞬态分析中，SOLID62也提供位移自由度（UX，UY，UZ）。

在节点法3-D瞬态分析中，通过使用矢量/标量界面单元INTER115，可以在非导体区用标量位单元来建立模型。

在3-D中，为了模拟电路供电线圈，需要单元具有AX、AY、AZ、EMF和CURR自由度。

为了模拟块导体，需要单元具有AX、AY、AZ、VOLT和CURR自由度。

载压线圈和速度效应（仅SOLID97有效）要求用实常数来完整地描述线圈特性。

详见ANSYS单元手册中对该单元的描述。

9.7.2加载和求解

节点法3-D瞬态分析的加载过程基本上与2-D瞬态分析的加载过程（见第4章）相似，但应注意如下事项：

如果把电流作为一种载荷加到SOLID62或SOLID97单元上，则必须要有AX、AY、AZ和VOLT自由度。

另外，要选择集肤区截面上的全部节点，耦合这些节点的VOLT自由度并加电流载荷。

当电压作为一种载荷时，只能加到SOLID97单元上。

对于3-D和2-D瞬态分析的载荷步选项，请详见第16章中的描述。

求解节点法3-D瞬态分析，按第4章所描述的过程进行。

9.8观察节点法3-D瞬态分析的计算结果

按第4章中所描述的后处理过程进行。

9.9标势法和矢势法联合使用

　　有时你的模型中有的部分最好使用标势法（用标势单元和SOURC36电流基元），而其它的部分则需要用到矢势法（用矢势单元），这时可将它们联合起来使用。

具体步骤和前面介绍的其它分析方法类似，即建立物理环境、建立模型，加载、求解，然后进行后处理。

9.9.1建立混合区域的模型

先按照前面介绍的RSP方法建立模型的标势部分（注意不能用DSP方法或是GSP方法），再按照本章中介绍的方法建立模型的矢势部分，最后再在标势区和矢势区之间如下划分INTER115单元：

ESURF

Create>

SurfEffect>

ExtraNode

NoextraNode

不能使INTER115单元位于空气－铁边界上，不然会造成结果的不精确。

应确保该单元位于单一的均匀材料中，如空气。

这种分析要求如图4所示的那样令矢势－标势界面（INTER115单元所在的地方）上的矢势的垂直分量为零。

这样设置后，界面上满足库仑检测条件并确保矢量势的结果唯一。

这种设置是很容易的：

根据边界的类型将节点旋转到相应的直角、柱、球、环等坐标系中，再设置法向分量为零。

旋转节点坐标系的方式是：

NROTAT

Mainmenu>

Nodes>

ToActiveCS

Move/Modify>

9.9.1.1矢量域和标量域的界面

如果在矢势区中存在着多连通域，则不能用标－矢界面将它＂切开＂，例如，在闭合回路（多连通域）中存在的空气＂洞＂中就不能有标－矢界面，这时必须用矢势单元把整个导体和空气＂洞＂包围起来，然后再用标势单元将整个区域包围起来，如图5所示。

INTER115单元不能位于自由表面，但它单独的某个边却可以。

SOURC36单元要完全设置于标势区中，不要穿越INTER115单元或是矢势单元。

INFIN115单元可以与标量位单元（SOLID5,SOLID96,和SOLID98）以及矢量位单元SOLID97联合使用。

关于INFIN115单元的详细说明参见《ANSYS单元手册》。

9.9.2施加载荷、求解混合模型。

求解如图6所示问题时，请注意以下几点：

在使用INTER115界面单元的标势区中，只能使用RSP方法。

在矢量位区域不包含导磁材料

可以在标量位分析区域设置非涡流铁区。

但是，该区域可能会在计算的时候被取消，应仔细检查结果。

对于满足了以上限制条件的问题，用SOLID117号单元（棱边单元）完成分析。

参见第6章关于SOLID117号单元的说明。

关于加载和求解，请参见第5章中的相应部分。

9.9.3观察结果

对该方法求解出的结果做后处理时，可使用本章前面介绍的方法和第16章中关于RSP一节中介绍的方法。