NSYS电磁场分析指南 第九章 3D静态谐波和瞬态分析节点法.docx

NSYS电磁场分析指南 第九章 3D静态谐波和瞬态分析节点法.docx

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NSYS电磁场分析指南第九章3D静态谐波和瞬态分析节点法

第九章3-D静态、谐波和瞬态分析（节点法）

9.1节点法（MPV）进行3D静态磁场分析

3-D节点法磁场分析的具体步骤与2-D静态分析类似，选择GUI参数路径MainMenu>Preferences>Magnetic-Nodal，便于使用相应的单元和加载。

与2-D静态分析同样的方式定义物理环境，但要注意下面讨论的存在区别的地方。

9.1.1选择单元类型和定义实常数

对于节点法3–D静磁分析，可选的单元为3D矢量位SOLID97单元，与2D单元不同。

自由度为：

AX,AY,AZ。

3D矢量位方程中，用INFIN111远场单元（AX、AY、AZ三个自由度）来为无限边界建模。

9.1.1.1定义实常数

对于载压和载流绞线圈（只有SOLID97单元），必须定义如下实常数：

线圈横截面积（CARE）

该常数表示绞线圈的实际物理横截面积，无论是否采用对称性建模。

程序假定在线圈的长度方向上横截面积是不变的。

线圈总匝数（TURN）

线圈总匝数，无论是否采用对称性建模。

线圈的模型体积（VOLU）

有限元线圈区的实际体积，而不是整个线圈的总体积。

电流的方向矢量（DIRX,DIRY,DIRZ）

通过矢量的各个分量描述电流方向。

对于一般单元，电流的约束方向为（DIRX,DIRY,DIRZ）=（1,0,0）.下面图1（b）中列举了绞线型导体的90度圆弧，可按照如下方法说明THETA方向电流：

（1）说明柱状单元坐标系

命令：

ESYS

GUI：

MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Element>ElemAttributes

（2）修正单元以继承新的坐标系

命令：

EMODIF

GUI：

MainMenu>Preprocessor>-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

命令：

EQSLV

GUI：

MainMenu>Solution>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：

命令：

/SOLU

GUI：

MainMenu>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>Solution>-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

命令：

CE或CP

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>ConstraintEqn

MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>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

见第二章中的说明。

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：

命令：

RESUME

GUI:

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：

命令：

MAGSOLV（将OPT域设为零）

GUI：

MainMenu>Solution>-Solve-Electromagnet>-StaticAnalysis-Opt&Solv

9.1.7完成求解

离开求解器：

　　命令：

FINISH

GUI:

MainMenu>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:

命令：

LMATRIX

GUI：

MainMenu>Solution>-Solve-Electromagnet>-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：

命令：

/POST1

GUI:

MainMenu>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：

命令：

F，，AMPS

GUI：

MainMenu>Solution>-Loads-Apply>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>Preprocessor>-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

DOFs:

AZ,VOLT

材料特性：

mr（MURX）,r（RSVX）

注：

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

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:

AX,AY,AZ,VOLT

材料特性：

mr（MURX）,r（RSVX）

注：

令导体对称面上的VOLT=0。

载压绞线圈

DOFS：

AX，AY，AZ，CURR

材料特性：

mr（MURX）,r（RSVX）

注：

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）

特殊特性：

没有涡流

空气

自由度：

AX，AY，AZ

材料性质：

μr（MURX）

特殊特性：

没有涡流

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：

　　命令：

ESURF

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Create>Elements>SurfEffect>ExtraNode

MainMenu>Preprocessor>Create>Elements>SurfEffect>NoextraNode

注意：

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：

命令：

NROTAT

GUI:

Mainmenu>Preprocessor>Create>Nodes>ToActiveCS

MainMenu>Preprocessor>Move/Modify>ToActiveCS

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。