最新ANSYS电磁场分析指南第七章3D谐波磁场分析棱边单元法.docx

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最新ANSYS电磁场分析指南第七章3D谐波磁场分析棱边单元法

ANSYS电磁场分析指南第七章3-D谐波磁场分析棱边单元法

第七章３-Ｄ谐波磁场分析（棱边单元方法）

7.1用棱边元方法进行谐波分析

3-D谐波磁场分析（棱边元方法）与静态分析的特点基本相同，但前者只支持线性材料特性分析。

电阻和相对磁导率可以是正交各向异性，也可以与温度相关。

谐波分析仍使用SOLID117单元。

详见《ANSYS单元手册》和《ANSYS理论手册》。

7.1.1物理模型区域的设置和特性

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

DOFs:

AZ,VOLT

材料特性：

mr（MURX）,r（RSVX）

注：

对对称性结构，令一面的VOLT=0，再耦合另一面的节点。

对3-D结构，令一个节点的VOLT=0。

载流绞线圈

DOFs:

AX,AY,AZ

材料特性：

mR（MURX）

特殊特性：

没有涡流，可以加源电流密度,JS。

短路导体

DOFs:

AZ,VOLT

材料特性：

mr（MURX）,r（RSVX）

注：

令导体对称面上的VOLT=0。

叠层铁芯

自由度：

材料性质：

μr（MURX）

空气

自由度：

材料性质：

μr（MURX）

运动导体

（速度效应）

可用SOLID117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

7.1.2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3D问题，设置单元KEYOPT选项和实常数的过程相似于2D谐波分析。

在谐波分析中，所加速度为常数，不作正弦变化（线圈或场激励为正弦变化），且垂直于运动方向的运动体截面应保持常数。

通过设置单元的KEYOPT

（2）=1来激活速度效应，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（AZ和VOLT自由度）来实现。

运动导体分析中能设置的实常数如下表所示：

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

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0.0001HZ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。

7.23-D谐波磁场分析（棱边元方法）的步骤

1.在GUI菜单过滤中选定Magnetic-Edge项

2.定义任务名和题目

　　命令：

/FILNAME和/TITLE

GUI:

UtilityMenu>File>ChangeJobname

UtilityMenu>File>ChangeTitle

3.进入ANSYS前处理器

　　命令：

/PREP7

GUI:

MainMenu>Preprocessor

4.选择SOLID117单元

　　命令：

ET,,solid117

GUI:

MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete

5.选择SOLID117单元选项

　　对导电区用AZ-VOLT自由度，对不导电区用AZ自由度．

　　命令：

KEYOPT

GUI:

MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete

6.定义材料特性

　对涡流区必须说明电阻值RSVX，其它详见“二维静态磁场分析”一章

7.建立模型

对建立几何模型和划分网格的描述，详见“ANSYS建模与分网指南”

8.赋予特性

命令：

VATT

GUI:

Mainmenu>Preprocessor>-Attributes-Define

9.划分网格（用Mapped网格）

　　命令：

VMESH

　　GUI:

MainMenu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Volumes-Mapped

10.进入求解器

　　命令：

/SOLU

GUI:

MainMenu>Solution

11.给模型边界加磁力线平行和磁力线垂直边界条件

　　命令：

GUI:

MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Boundary

用AZ=0来模拟磁力线平行边界条件，磁力线垂直边界条件自然发生，无需说明。

12.加电流密度载荷

　　命令：

BFE,js

GUI:

MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Excitation

除了加电流密度载荷外，还可以给一个块导体加总电流：

　　命令：

F,,amps

GUI:

MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Electric-Excitation>-Impressed

Current->OnNodes

注：

在加总电流之前需耦合节点VOLT自由度。

13.选择谐波分析类型和工作频率

　　命令：

ANTYPE,harmic,new

GUI:

MainMenu>Solution>NewAnalysis>Harmonic

命令：

HARFRQ

GUI:

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>FreqandSubstps.

14.选择求解器（推荐使用Frontal或ICCG求解器）

命令：

EQSLV

GUI:

Mainmenu>Solution>AnalysisOptions

15.选择载荷步选项

16.求解

　　命令：

SOLVE（设置OPT域为0）

GUI:

MainMenu>Solution>－Solve-CurrentLS

当使用棱边单元方程时，在缺省情况下，ANSYS程序先自动估算整个选择了单元和节点的计算区域。

此时通过把自由度的值设置为零来去掉不需要的自由度；这使ANSYS能更块地进行解算：

命令：

GAUGE

GVI:

MainMenu　>Solution>LoadStepOpts–magnetics>–OptionsOnly–Gauging

使用棱边单元做电磁分析必须要求估算，因此，在大多数情况下，不要关闭自动估算。

17.退出SOLUTION处理器

　　命令：

FINISH

GUI:

MainMenu>Finish

18.按照如下过程进行后处理

7.3观察结果

ANSYS和ANSYS/Emag程序将棱边元方法谐波磁场分析的数据结果写入到Jobname.RMG（若选择了时间积分电势（VOLT）选项，则写入到Jobname.RST）文件中。

由于谐波分析的很多结果数据是以工作频率w呈谐波变化的，计算结果与输入载荷有相位差（即滞后于输入载荷），所以要写成实部和虚部两部分（可以通过实部解乘以cos（wt）再减去虚部解乘以sin（wt）求模，模是可测量的量）。

参看《ANSYS理论手册》

结果数据包括：

主数据：

节点自由度（AZ,VOLT）

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）

　　　·节点洛仑兹磁力（FMAG:

X,Y,Z分量和SUM）

　　　·单元总电流密度（JTX,JTY,JTZ）

　　　·单位体积生成的焦耳热（JHEAT）

　　　·单元磁能

在后处理磁场分析的结果时，在POST1通用后处理器中可观察整个模型在给定频率处的响应解；在POST26时间历程后处理器中可观察在一个频率范围内某节点或单元的响应解，但在谐波分析中，频率是固定值，所以通常只有POST1来观看数据。

按照如下方式选择后处理器：

命令：

/POST1,/POST26

GUI:

MainMenu>GeneralPostproc

MainMenu>TimeHistPostpro

7.3.1常用的后处理命令及相应的GUI。

（见下表）

任务

命令

GUI路径

选择实部解

SET,1,1,,0

MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ResultsSummary

选择虚部解

SET,1,1,,1

MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ResultsSummary

列出边通量自由度AZ5

PRNSOL,AZ

MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolution

列出时间积分电势（VOLT）5

PRNSOL,VOLT

MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolution

列出角节点处的磁通量密度1、5

PRVECT,B