ANSYSMaxwell涡流场分析案例.docx
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ANSYSMaxwell涡流场分析案例
1.训练后处理应用实例
本例中的涡流模型由一个电导率σ=106S/m,长度为100mm,横截面积为10×10m2的导体组成,导体通有幅值为100A、频率为60Hz、初始相位ф=120°的电流。
(1)启动Maxwell并建立电磁分析
1.在windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYSElectromagnetic→ANSYSElectromagneticSuite15.0→Windows64-bit→Maxwell3D命令,进入Maxwell软件界面。
2.选择菜单栏中File→Save命令,将文件保存名为“training_post”
3.选择菜单栏中Maxwell3D→SolutionType命令,弹出SolutionType对话框
(1)Magnetic:
eddycurrent
(2)单击OK按钮
4.依次单击Modeler→Units选项,弹出SetModelUnits对话框,将单位设置成m,并单击OK按钮。
(2)建立模型和设置材料
1.依次单击Draw→Box命令,创建长方体
在绝对坐标栏中输入:
X=-5,Y=-5,Z=0,并按Enter键
在相对坐标栏中输入:
dX=5,dY=5,dZ=100,并按Enter键
单击几何实体,左侧弹出属性对话框,重命名为:
Cond
材料设置为conductor,电导率为σ=106S/m
2.依次单击Draw→Box命令,创建长方体
在绝对坐标栏中输入:
X=55,Y=-10,Z=40,并按Enter键
在相对坐标栏中输入:
dX=75,dY=10,dZ=60,并按Enter键
单击几何实体,左侧弹出属性对话框,重命名为:
aux
3.依次单击Draw→Line
在绝对坐标栏中输入:
X=0,Y=0,Z=0,并按Enter键
在相对坐标栏中输入:
dX=0,dY=0,dZ=100,并按Enter键
名为line1
4.依次单击Draw→line,生成长方形
对角点为(20,-20,50)、(-20,20,50),名为line2
5.依次单击Draw→Region命令,弹出Region对话框,设置如下
✍:
Padindividualdirections
(-100,-100,0)、(200,100,100)
(3)指定边界条件和源
1.按f键,选择Cond与Region的交界面,依次单击菜单中的Maxwell3D→Excitations→Assign→Current命令,在对话框中填入以下内容:
(1)Name:
SourceIn
(2)Value:
100A
(3)Palse:
120deg
(4)单击OK按钮
2.按f键,选择Cond与Region的另一个交界面,依次单击菜单中的Maxwell3D→Excitations→Assign→Current命令,在对话框中填入以下内容:
(5)Name:
SourceIn
(6)Value:
100A
(7)Palse:
120deg
(8)按SwapDirection和OK按钮
(4)设置求解规则
1.依次选择菜单栏中Maxwell3D→AnalysisSetup→AddSolutionSetup命令,此时弹出SolutionSetup对话框,在对话框中设置:
(1)Maximumnumberofpasses(最大迭代次数):
10
(2)PercentError(误差要求):
1%
(3)RefinementperPass(每次迭代加密剖分单元比例):
50%
(4)Solver>AdaptiveFrequency(设置激励源的频率):
60Hz
(5)单击OK按钮。
1.依次选择菜单栏中的Maxwell3D→ValidationCheck命令,此时弹出的对话框中,如果全部项目都有☞说明前处理操作没有问题;如果有☞弹出,则需要重新检查模型;如果有!
出现,则不会影响计算。
2.依次选择Maxwell3D→AnalyzeAll命令,此时程序开始计算。
(5)后处理
依次单击Maxwell3D>Fields>Calculator命令,弹出FieldsCalculator对话框
1)导体内的功率损耗(体积分)
方法一:
1.选择Input>Quantity>OhmicLoss
2.选择Input>Geometry选择Volume,在列表中选择Cond,然后单击OK按钮
3.选择Scalar>∫Integrate
4.选择Output>Eval
5.得到Cond计算损耗约为5
方法二:
计算公式为
1.选择Input>Quantity>J,获得电流密度矢量J;
2.选择Push
3.选择General>Complex:
Conj,求J的共轭;
4.选择Vector>Mtal,出现MaterialOperation窗口;
5.选择Conductivity、Divide;单击OK按钮
6.选择Vector>Dot
7.选择General>Complex:
Real;
8.选择Input>Number,设置为Type:
Scalar;Value:
2;单击OK
9.选择General>/
10.选择Input>Geometry选择Volume,在列表中选择Cond,然后单击OK按钮
11.选择Scalar>∫Integrate
12.选择Output>Eval
13.得到Cond计算损耗约为5
2)沿着导体路径的电压降(线积分)
计算电压降的实部:
计算公式为
1.选择Input>Quantity>J,获得电流密度矢量J;
2.选择Vector>Mtal,出现MaterialOperation窗口;
3.选择Conductivity、Divide;单击OK按钮
4.选择General>Complex:
Real;
5.选择Input>Geometry选择Line,在列表中选择Line1,然后单击OK按钮
6.选择Vector>Tangent
7.选择Scalar>∫Integrate
8.选择Output>Eval
9.得到电压降的实部分量为0.05V
计算电压降的虚部:
计算公式为
1.选择Input>Quantity>J,获得电流密度矢量J;
2.选择Vector>Mtal,出现MaterialOperation窗口;
3.选择Conductivity、Divide;单击OK按钮
4.选择General>Complex:
Imag;
5.选择Input>Geometry选择Line,在列表中选择Line1,然后单击OK按钮
6.选择Vector>Tangent
7.选择Scalar>∫Integrate
8.选择Output>Eval
9.得到电压降的实部分量为-0.0866V
理论计算电压降幅值为
3)安培定律(线积分)
计算磁场强度的实部分量沿着线line2的线积分
1.选择Input>Quantity>H;
2.选择General>Complex:
Real;
3.选择Input>Geometry选择Line,在列表中选择Line2,然后单击OK按钮
4.选择Vector>Tangent
5.选择Scalar>∫Integrate
6.选择Output>Eval
7.出现86.58A
实际电流的实部是100×sin120=86.58A
计算磁场强度的虚部分量沿着线line2的线积分
1.选择Input>Quantity>H;
2.选择General>Complex:
Imag;
3.选择Input>Geometry选择Line,在列表中选择Line2,然后单击OK按钮
4.选择Vector>Tangent
5.选择Scalar>∫Integrate
6.选择Output>Eval
7.出现-49.98A
实际电流的虚部是100×cos120=50A
计算相位
1.选择Exch和Rlup操作,确认计算器顶部为-49.98A,接下来是86.58A
2.选择Trig|Atan2,得到相位为120.000
4)计算磁通密度散度(体积分)
计算磁通密度的实部分量散度在aux上的体积分
1.选择Input>Quantity>B;
2.选择General>Complex:
Real;
3.选择Vector>Divg
4.选择Input>Geometry选择Volume,在列表中选择aux,然后单击OK按钮
5.选择Scalar>∫Integrate
6.选择Output>Eval
7.出现-9.68×10-10A
计算磁通密度的虚部分量散度在aux上的体积分
1.选择Input>Quantity>B;
2.选择General>Complex:
Imag;
3.选择Vector>Divg
4.选择Input>Geometry选择Volume,在列表中选择aux,然后单击OK按钮
5.选择Scalar>∫Integrate
6.选择Output>Eval
7.出现1.68×10-9A
5)磁通量的计算(面积分)
磁通量实部的计算
1.选择Input>Quantity>B
2.选择Vector:
Scal?
>ScalarY
3.选择General>Complex:
Real;
4.选择Input>Geometry选择Volume,在列表中选择aux,然后单击OK按钮
5.General>Domain
6.选择Input>Geometry选择Surface,在列表中选择XZ,然后单击OK按钮
7.选择Scalar>∫Integrate
8.选择Output>Eval
9.出现5.06×10-8Wb
磁通量实部的计算
1.选择Input>Quantity>B
2.选择Vector:
Scal?
>ScalarY
3.选择General>Complex:
Imag;
4.选择Input>Geometry选择Volume,在列表中选择aux,然后单击OK按钮
5.General>Domain
6.选择Input>Geometry选择Surface,在列表中选择XZ,然后单击OK按钮
7.选择Scalar>∫Integrate
8.选择Output>Eval
9.出现-8.76×10-8Wb
磁通量的幅度为1.01×10-7Wb,进而可以获得导体与积分表面边界构成的矩形环之间的互感为
在环内感应电压的幅度为
6)计算总电阻损耗(体积分)
----Maxwell_v16_3D_WS02_BasicEddyCurrentAnalysis
1.选择Input>Quantity>OhmicLoss
2.选择Input>Geometry选择Volume,在列表中选择Disk,然后单击OK按钮
3.选择Scalar>∫Integrate
4.选择Output>Eval
5.得到Disk计算损耗约为270.38W
7)计算磁通量
----06_1_maxwell_eddycurrent_Asymmetric_Conductor
Bz_real
1.选择Input>Quantity>B
2.选择Vector:
Scal?
>ScalarZ
3.选择General>Complex:
Real;
4.选择General>Smooth
注意:
在特斯拉(Tesla)的单位中,流量密度将默认显示。
如果您希望看到高斯单位的结果执行步骤5和步骤6,否则跳到第7步
5.选择Input>Number,设置为Type:
Scalar;Value:
10000;单击OK
6.General>*
7.选择Add和指定名称为Bz_real
Bz_imag
8.选择Input>Quantity>B
9.选择Vector:
Scal?
>ScalarZ
10.选择General>Complex:
Imag;
11.选择General>Smooth
注意:
在特斯拉(Tesla)的单位中,流量密度将默认显示。
如果您希望看到高斯单位的结果执行步骤5和步骤6,否则跳到第7步
12.选择Input>Number,设置为Type:
Scalar;Value:
10000;单击OK
13.General>*
14.选择Add和指定名称为Bz_imag
8)计算辐射功率
----06_2_maxwell_eddycurrent_Radiation_Boundary
1.选择Input>Quantity>E;
2.选择Input>Quantity>H;
3.选择General>Complex:
Conj;
4.选择Vector>Cross
5.选择General>Complex:
Real;
6.选择Input>Number,设置为Type:
Scalar;Value:
0.5;单击OK
7.选择General>*
8.选择Add和指定名称为Poynting
9)计算电流(面积分)
----07_1_maxwell_transient_reluctance_motor
1.选择Input>Quantity>J
2.选择Vector:
Scal?
>ScalarZ
3.选择Input>Geometry选择Surface,在列表中选择Terminal_A1,然后单击OK按钮
4.选择Scalar>∫Integrate
5.选择Input>Number,设置为Type:
Scalar;Value:
150;单击OK
6.选择General>/
7.选择Output>Eval
8.单击Done
10)计算电流(面积分)
----05_3_maxwell_magnetostatic_reluctance_motor
1.选择Input>Quantity>J
2.选择Input>Geometry选择Surface,在列表中选择Terminal_A1,然后单击OK按钮
3.选择Vector>Normal
4.选择Scalar>∫Integrate
5.选择Output>Eval
6.出现通过线圈的电流,等于3750
7.单击Done
11)霍尔传感器流量密度作为时间的函数(面积分)
-----07_2_maxwell_transient_rotational_motion
1.选择Input>Quantity>B
2.选择Input>Geometry选择Surface,在列表中选择Sensor,然后单击OK按钮
3.选择Vector>Normal
4.选择Undo
5.选择Scalar>∫Integrate
6.选择Input>Number,设置为Type:
Scalar;Value:
1;单击OK
7.选择Input>Geometry选择Surface,在列表中选择Sensor,然后单击OK按钮
8.选择Scalar>∫Integrate
9.General>/
10.选择Add
11.指定名称为Bsensor
12.单击Done
12)通过线圈产生电流,作为时间的函数
----07_3_maxwell_transient_translational_motion
1.选择Input>Quantity>J
2.选择Input>Geometry选择Surface,在列表中选择Coil_Terminal,单击OK按钮
3.选择Vector>Normal
4.选择Scalar>∫Integrate
5.选择Add
6.指定名称为It
7.单击Done
2.Maxwell3D:
铜线圈涡流分析
(1)启动Workbench并保存
1.在windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS15.0→Workbench15.0命令,启动ANSYSWorkbench15.0,进入主界面。
2.进入Workbench后,单击工具栏中的✍按钮,将文件保存名为“Eddycurrent”
(2)建立电磁分析
1.双击Workbench平台左侧的Toolbox→AnalysisSystems→Maxwell3D此时在ProjectSchematic中出现电磁分析流程图。
2.双击表A中的A2,进入Maxwell软件界面。
在Maxwell软件界面可以完成有限元分析的流程操作。
3.选择菜单栏中Maxwell3D→SolutionType命令,弹出SolutionType对话框,选择eddycurrent,并单击OK按钮。
4.依次单击Modeler→Units选项,弹出SetModelUnits对话框,将单位设置成mm,并单击OK按钮。
(3)建立几何模型和设置材料
1.创建铝板模型(stock)
(1)依次单击Draw→Box命令,创建长方体
在绝对坐标栏中输入:
X=-0,Y=0,Z=0,并按Enter键
在相对坐标栏中输入:
dX=294,dY=294,dZ=19,并按Enter键
单击几何实体,左侧弹出属性对话框,重命名为:
stock
(2)依次单击Draw→Box命令,创建长方体
在绝对坐标栏中输入:
X=18,Y=18,Z=0,并按Enter键
在相对坐标栏中输入:
dX=126,dY=126,dZ=19,并按Enter键
单击几何实体,左侧弹出属性对话框,重命名为:
hole
(3)选中stock和hole,依次选择菜单栏中Modeler→Boolean→Subtract命令,对几何进行减运算,此时弹出Subtract对话框
a.在BlankParts中选中stock实体
b.在ToolParts中选中hole实体
c.单击OK按钮
d.得到铝板模型如下:
(4)单击几何实体,使其处于加亮状态,此时左侧会弹出属性对话框,在Material栏中将Value展开选择Edit,选择Aluminum作为铝板的材料
2.创建线圈模型(coil)
(1)依次单击Draw→Box命令,创建长方体
在绝对坐标栏中输入:
X=119,Y=25,Z=49,并按Enter键
在相对坐标栏中输入:
dX=150,dY=150,dZ=100,并按Enter键
单击几何实体,左侧弹出属性对话框,重命名为:
coilhole
(2)按E键,将体选择改为边选择,选中coilhole模型的4个竖边,如下图所示。
(3)将所选边缘圆滑化,依次选择菜单栏中Modeler>Fillet命令,Fillet参数设置:
FilletRadius:
25mm;SetbackDistance:
0mm
(4)依次单击Draw→Box命令,创建长方体
在绝对坐标栏中输入:
X=94,Y=0,Z=49,并按Enter键
在相对坐标栏中输入:
dX=200,dY=200,dZ=100,并按Enter键
单击几何实体,左侧弹出属性对话框,重命名为:
coil
(5)按E键,将体选择改为边选择,选中coil模型的4个竖边,将所选边缘圆滑化,依次选择菜单栏中Modeler>Fillet命令,Fillet参数设置:
FilletRadius:
50mm;SetbackDistance:
0mm
(5)选中coil和coilhole模型,依次选择菜单栏中Modeler→Boolean→Subtract命令,对几何进行减运算,此时弹出Subtract对话框
e.在BlankParts中选中coil实体
f.在ToolParts中选中coilhole实体
g.单击OK按钮
h.得到coil模型如下:
(6)单击coil几何实体,使其处于加亮状态,此时左侧会弹出属性对话框,在Material栏中将Value展开选择Edit,选择copper作为线圈的材料。
3.创建相对坐标系
选择菜单栏中Modeler>CoordinateSystem>Create>RelativeCS>Offset命令,在绝对坐标栏中输入:
X=200,Y=100,Z=0,并按Enter键
4.设置激励电流加载面
(1)选中Coil几何,依次单击菜单中的Modeler→Surface→Section命令,在弹出的对话框中选择XZ并单击OK按钮,此时几何生成截面。
(2)保持截面处于加亮状态,依次单击菜单中的Modeler→Boolean→SeparateBodies命令,此时截面被分开。
(3)右击Terminal_Separate1命令,在弹出的快捷菜单中依次选择Edit→Delete命令。
(4)添加激励
3.在模型树种选中线圈的截面,依次单击菜单中的Maxwell3D→Excitations→Assign→Current命令,在对话框中填入以下内容:
(9)Name:
Current1
(10)Value:
2742A
(11)Stranded:
✍Checked
(12)单击OK按钮
4.设置涡流存在区域
依次单击菜单中的Maxwell3D>Excitations>SetEddyEffects命令,只勾选Stock:
✍EddyEffects,然后单击OK按钮。
(5)设置求解域
选择菜单栏中Draw→Region命令,在弹出的Region对话框中输入Value=300,并单击OK按钮。
(6)创建哑元Dummy
Dummy技术的优点:
只对所关心的局部区域进行加密剖分,提高该区域的计算精度,无需对整个区域进行加密,节约了计算资源。
1.将坐标系改为GlobalCS
2.依次单击Draw→Box命令,创建长方体
在绝对坐标栏中输入:
X=-3,Y=68,Z=30,并按Enter键
在相对坐标栏中输入:
dX=300,dY=8,dZ=8,并按Enter键
单击几何实体,左侧弹出属性对话框,重命名为:
dummy
材料为真空
3.设置Dummy的剖分参数,选中Dummy模型,选择菜单栏中Maxwell>MeshOperations>Assign>OnSelection>LengthBased命令,此时弹出ElementLengthBasedRefinement对话框,在对话框中填入以下内容:
(1)Name:
Length1
(2)☞:
RestrictLengthOfElements
(3)✍:
RestricttheNumberofElements
(4)MaximumNumberofElements:
1000
(5)单击OK按钮
4.选择菜单栏中Maxwell3D>AnalysisSetup>ApplyMeshOperations命令,开始划分网格。
(7)求解计算
2.依次选择菜单栏中Maxwell3D→AnalysisSetup→AddSolutionSetup命令,此时弹出SolutionSetup对话框,在对话框中设置:
(6)Maximumnumberofpasses(最大迭代次数):
10
(7)PercentError(误差要求):
2%
(8)RefinementperPass(每次迭代加密剖分单元比例):
50%
(9)Solver>AdaptiveFrequency(设置激励源的频率):
200Hz
(10)单击OK按钮。
3.依次选择菜单栏中的Maxwell3D→ValidationCheck