ANSYS电磁场分析指南第三章2D谐波AC磁场分析.docx
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ANSYS电磁场分析指南第三章2D谐波AC磁场分析
第三章２-Ｄ谐波（ＡＣ）磁场分析
什么是谐波磁场分析
谐波效应来自于电磁设备和运动导体中的交流电（AC）和外加谐波电磁场，这些效应要紧包括：
· 涡流
· 集肤效应
· 涡流致使的能量损耗
·力和力矩
· 阻抗和电感
谐波分析的典型应用为：
变压器、感应电机、涡流制动系统和大多数AC设备。
谐波分析中中不许诺存在永磁体。
忽略磁滞效应。
线性与非线性谐波分析
关于低饱和状态，进行线性的时刻-谐波分析时，可假设导磁率为常数。
关于中高饱和条件，应考虑进行非线性的时刻-谐波分析或时刻-瞬态求解（第4章）。
关于交流稳态鼓励的设备，在中等到高饱和状态，分析人员最感爱好的要取得总的电磁力、力矩和功率损失，很少涉及实际磁通密度具体波形。
在这种情形下，可进行非线性时刻-谐波分析，这种分析能计算出具有专门好精度的“时刻平均”力矩和功率损失，又比进行瞬态-时刻分析所需的计算量小得多。
非线性时刻-谐波分析的大体原那么是由用户假定或基于能量等值方式的有效B-H曲线来替代直流B-H曲线。
利用这种有效B-H曲线，一个非线性瞬态问题能有效地简化为一个非线性时刻-谐波问题。
在这种非线性分析中，除要进行非线性求解计算外，其它都与线性谐波分析类似。
应该强调，在给定正弦电源时，非线性瞬态分析中的磁通密度B是非正弦波形。
而在非线性谐波分析中，B被假定为是正弦转变的。
因此，它不是真实波形，只是一个真实磁通密度波形的时刻基谐波近似值。
时刻平均总力、力矩和损失是由近似的磁场基谐波来确信，逼近于真实值。
二维谐波磁场分析中要用到的单元
在涡流区域，谐波模型只能用矢量位方程描述，固只能用以下单元类型来模拟涡流区。
详细情形参见《ANSYS单元手册》，该手册以单元号为序排列。
《ANSYS理论参考手册》也有进一步的讲述。
表1.2-D实体单元
单元
维数
形状或特性
自由度
PLANE13
2-D
四边形，4节点
或三角形，3节点
每节点最多4个：
磁矢势（AZ）、位移、温度、或时间积分电势。
PLANE53
2-D
四边，8节点
或三角形，6节点
每节点最多4个：
磁矢势（AZ）、时间积分电势、电流、或电动势降。
表2.远场单元
单元
维数
形状或特性
自由度
INFIN9
2-D
线型，2节点
磁矢势（AZ）
INFIN110
2-D
四边形，4个或8个节点
磁矢势（AZ）、电势、温度
表3.通用电路单元
单元
维数
形状或特性
自由度
CIRCU124
无
6节点
每个节点最多三个：
电势、电流或电动势降
创建2-D谐波磁场的物理环境
正如ANSYS其他分析类型一样，关于谐波磁分析，要成立物理环境、建模、给模型区给予属性、划分网格、加边界条件和载荷、求解、然后观看结果。
2-D谐波磁分析的大多数步骤都与2-D静磁分析的步骤相似。
本章只讨论与谐波分析相关的特殊步骤。
2-D谐波磁分析采纳与第2章“2-D静态磁场分析”一样的步骤来设置GUI选项、分析题目、单元类型和KEYOPT（关键选项）、单元坐标系、实常数和单位制。
概念材料性质时，利用在第2章中描述的方式，即：
利用ANSYS材料库所概念的材料性质或ANSYS用户自己概念的材料性质。
下面介绍对模型设置物理区域的某些准那么：
3.4.1利用自由度来操纵导体上的终端条件
ANSYS程序提供几种选项来操纵导体上的终端条件，在建模中，这些选项提供了足够的方便性。
例如：
线绕和块状导体、短路和开路情形、线路供电装置等，要模拟这些实体，执行以下内容：
·在导体区增加额外的自由度（DOF）
·给予所需的实常数、材料性质和对自由度的特殊处置。
单元类型和选项、材料性质、实常数、和单元坐标系，都是实体模型的属性，用AATT和VATT命令或其等效的GUI途径指定。
3.4.2AZ选项
由于没有标量电势，即导体内电压降为0，固可通过设定AZ自由度（DOF）来模拟短路条件的导体。
3.4.3AZ－VOLT选项
AZ－VOLT选项通过在全域电场计算中引入电势来模拟具有各类终端情形的块状导体：
E＝¶A/¶t－ÑV
注：
在ANSYS中，V由υ＝∫Vdt（时刻积分电势）代替
该选项通过许诺操纵其电场（VOLT），利用户可更方便地模拟开路、电流供电块导体和共端点多导体等情形。
电位υ的单位为“伏－秒”，其在ANSYS中的自由度为VOLT。
在轴对称分析中，υ＝r×VOLT。
在平面或轴对称分析中，整个导体截面的υ是常数（即电压降只发生在出平面方向上），为了保证这一点，必需耦合各个导体区的节点：
命令：
CP
GUI：
MainMenu >Preprocessor>Coupling/Ceqn/CoupleDOFs
由于所有节点的电压一样，进行耦合操作可减少未知数。
3.4.4AZ－CURR选项
用AZ－CURR选项可模拟一个载压绞线圈。
CURR自由度代表线圈中每匝电流。
在线圈上加电压（加到所有线圈单元上）的方式是：
命令：
BFE，VLTG
GUI：
MainMenu>Solution>－Loads－Apply>－Magnetic－Excitation>-Voltagedrop-
OnElements
也可用BFA命令在实体模型的面上加电压降。
用BFTRAN或SBCTRAN命令能够把施加在实体模型上电压降转换到有限元模型上。
在绞线圈中不计算涡流，因为绕线导线间假定为绝缘的。
线圈参数用实常数描述，ANSYS程序利用这些实常数来计算线圈的电阻和电感。
载压绞线圈只有效PLANE53和SOLID97单元模拟，且必需概念单元特定的实常数，以描述绞线圈导体。
绞线圈区域内所有节点的CURR自由度必需要耦合，以确保采纳一个公式来求解线圈中的电流。
3.4.5模型物理区域的特点和设置
ANSYS程序提供了几个选择来处置在2－D磁分析中导体上的终端条件，如右图图2带终端条件导体的物理区域所示。
下面将对各类终端条件作简要介绍。
块状导体—短路条件
自由度:
AZ
材料特性：
mr（MURX）,r（RSVX）
注：
涡流形成闭合回路，由于短路，导体中不存在电压降
块状导体—开路条件
自由度:
AZ,VOLT
材料特性：
mr（MURX）,r（RSVX）
特殊特性：
耦合VOLT自由度
注：
导体中不存在净电流，在轴对称分析中模拟有缺口的导体
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，再给某个节点上加总电流（F,,amps命令）
注：
假定由电流源发出的净电流为短路回流，该电流不受外界影响
载压绞线圈
DOFs:
AZ,CURR
材料特性：
mr（MURX）,r（RSVX）
实常数：
CARE,TUEN,LENG,DIRZ,FILL
特殊特性：
耦合CURR自由度，再用BFE或BFA命令加电压降（VLTG）
注：
只能用PLANE53单元来建模，所加电压不受外界影响
共地多导体
自由度：
AZ，VOLT
材料性质：
mr（MURX）,r（RSVX）
特殊特性：
所有导体域节点电压自由度耦合到一个耦合节点集中
注：
用于模拟如端部效应能忽略的鼠笼转子等设备
载流绞线圈
DOFs:
AZ
材料特性：
mr（MURX）
特殊特性：
没有涡流，直接加源电流密度JS（BFE、BFL或BFA命令）
注：
假定线圈中的电流为一恒定的交流电流，其值不受外界影响。
电流密度可根据线圈匝数，每匝中的电流值和线圈横截面积来确定。
电路供电绞线圈
自由度：
AZ，CURR，EMF
材料性质：
mr（MURX）,r（RSVX）
实常数：
CARE，TURN，LENG，DIRZ，FILL
特殊特性：
区域内耦合CURR和EMF自由度
注：
模拟由外电路（CIRCU124）单元供电绞线圈。
详见ANSYS耦合扬分析指南的“电磁－电路耦合”。
电路供电块状导体
自由度：
AZ，CURR，EMF
材料性质：
mr（MURX）,r（RSVX）
实常数：
CARE，LENG
特殊特性：
区域内耦合CURR和EMF自由度
注：
模拟由外电路（CIRCU124单元）供电块状导体。
详见ANSYS耦合扬分析指南的“电磁－电路耦合”。
铁芯叠片
DOFs:
AZ
材料特性：
mr（MURX）或B-H曲线
模拟可以忽略涡流的导磁材料，只要求AZ自由度。
空气
DOFs:
AZ
材料特性：
mr（MURX=1）
运动导体
（速度效应）
用PLANE53单元可模拟以恒定速度运动的导体的速度效应。
详见本章和第2章中对速度效应的描述。
3.4.6速度效应
在交流（AC）鼓励下，能够求解运动导体在某些特殊情形下的电磁场。
关于静态、谐波和瞬态分析，速度效应都是有效的。
第2章“2-D静态磁场分析”讨论了运动导体分析的应用例子和限制条件。
关于谐波分析，速度效应只限于线性情形（不能有B-H曲线）。
对单元的KEYOPT选项和实常数设置，运动导体2-D谐波分析步骤与2-D静态磁场分析完全类似。
在谐波分析中，速度设置为常数，不正弦转变（与线圈和场鼓励不同）。
在后处置中可计算磁雷诺数（Reynolds），磁雷诺数表征速度效应和问题的数值稳固性。
其计算公式如下：
Mre＝μvd/ρ
式中μ为导磁率，ρ为电阻率，v为速度，d为导体单元特点长度（运动方向上）。
磁雷诺数只在静态或瞬态分析时成心义。
关于在相对小雷诺值时，运动方程才有效和准确，一样量级为。
较高雷诺数值时，求解精度随问题而比转变。
除求解场之外，还能求出由于运动产生的导体电流（运动电流可在后处置器中取得）。
成立模型，划分网格，给予特性
关于建模、给模型区域赋属性和划分网格的详细内容，可参见第二章。
3.5.1关于集肤深度
电磁场在导体中的穿透深度是频率、导磁率和导电率的函数，当对场和焦耳热损失的计算精度要求较高时，在导体表面周围必需要划分足够细的有限元网格，以模拟这种集肤现象。
通常，在集肤深度内至少要划分一层或两层单元。
趋肤深度能够按下式进行估算：
那个地址，d是集肤深度（m），f是频率（Hz），m是绝对导磁率（H/m），s是导电率（S/m）。
加边界条件和励磁载荷
在谐波磁分析中，可将边界条件和载荷施加到实体模型上（关键点、线和面），也能够施加到有限元模型上（节点和单元）。
给2－D谐波分析加边界条件和载荷，利用与第2章“2-D静态磁场分析”中所述的完全相同的GUI途径和宏命令。
关于一个谐波磁分析，能够概念三种类型的载荷步选择：
动态选项、通用选项和输出操纵。
本手册第16章对这些载荷步选择有详细描述。
3.6.1利用PERBC2D宏命令
利用PERBC2D宏，可对2-D分析自动概念周期性边界条件。
PERBC2D对两个周期对称面施加必要的约束方程或概念节点耦合。
利用该宏命令的方式如下：
命令：
PERBC2D
GUI：
MainMenu> Preprocessor>Loads>-loads-Apply>-Magnetic-Boundary>
-VectorPoten-PeriodicBCs
在第11章“磁宏”中对该宏的利用有详细描述。
3.6.2幅值、相位角和工作频率
依照概念，谐波分析假定任何外加载荷都是随时刻呈谐波（正弦）转变的，如此的载荷需要说明幅值（0到峰值）、相位角和工作频率。
3.6.2.1幅值
所加载荷的最大值（0到峰值）；
3.6.2.2相位角
相位角是载荷相关于参考值在时刻上的掉队（或超前）量。
在复平面（见图3“实部/虚部分量和幅值/相位角关系图”）中，相位角确实是和实轴的夹角。
只有存在多个不同相载荷时，才需用到相位角。
（如三相电机分析）
施加不同相的电流密度或电压时，在BF、BFE或BFK命令（或它们的等效菜单途径）中的相位（PHASE）区域，输入度数来表示各自的相位角。
关于不同相的矢量位或电流段，在相应的加载命令（或等效菜单途径）的VALUE1和VALUE2区域中，别离输入复数载荷的实部和虚部分量。
图3“实部/虚部分量和幅值/相位角关系图”显示了如何计算实部和虚部分量。
3.6.2.3工作频率
确实是交流电的频率（单位Hz），可按如下概念：
命令：
HARFRQ
GUI:
Mainmenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>FreqandSupsteps
3.6.3给绞线型导体加源电流密度
命令：
BFE,,JS
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Magnetic-Excitation>
CurrDensity
也可用BFA命令对实体模型上的面加源电流密度。
3.6.4给块状导体加电流
电流（AMPS）是节点电流载荷，仅用于施加给带有强加电流的块导体区域。
在2-D分析中，这种载荷要求PLANE13单元和PLANE53单元的自由度设置为AZ和VOLT。
电流表示通过导体的总的电流值，仅仅用于2-D平面或轴对称模型分析。
要想给具有集肤效应的横截面上加均匀电流，必需对横截面上的VOLT自由度进行耦合：
命令：
CP
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>CoupleDOFs
在2-D平面或轴对称模型中，选择集肤效应区域内的所有节点，并耦合其VOLT自由度后，再给横截面上某一个节点加电流：
命令：
F
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Electric-Excitation>
-ImpressedCurr-OnNodes
给2-D模型施增强加电流的另一种方式是加均匀电流密度（JS体载荷），这由通过集肤效应区的总的强加电流除以横截面积取得：
命令：
BF,BFE
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Magnetic-Excitation>
-CurrDensity-OnElements
也可用BFL和BFA命令别离对实体模型上的线和面加源电流密度。
用BFTRAN或SBCTRAN命令能够把施加在实体模型上源电流密度转换到有限元模型上。
3.6.5给绞线圈加电压载荷
这种载荷概念绞线圈上的总电压降（幅值和相位角），利用MKS单位制，只能利用带有AZ,CURR自由度的PLANE53单元。
依照如下方式加电压降载荷：
命令：
BFE
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads>-Loads-Apply>-Magnetic-
Excitation>voltagedrop
也可用BFA命令对实体模型上的面加电压降。
用BFTRAN或SBCTRAN命令能够把施加在实体模型上电压降转换到有限元模型上。
要想取得正确的解，必需将线圈所有节点的CURR自由度耦合起来（不然将致使求解错误），因为CURR是代表线圈中每匝的电流值，是唯一的。
3.6.6加标志
3.6.6.1力标志
用ANSYS的FMAGBC宏命令标记一个物体，就能够够在求解器和后处置器中对它进行力或力矩计算。
此宏自动加虚位移和Maxwell面标志（后面讨论）。
物体必需至少被一层空气单元包围，并被概念成一个部件，然后按如下方式执行加载：
命令：
FMAGBC，Cname
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Loads>-loads-Apply>-Magnetic-Flag>Comp.Force/Torq
MainMenu>Solution>-loads-Apply>-Magnetic-Flag>Comp.Torque/Torq
在POST1后处置器中，用FMAGSUM和TORQSUM宏可别离对力和力矩求和。
3.6.6.2无穷远表面标志（INF）
这并非是实际载荷，但有限元计算要求把无穷远单元的指向开放区域的外表面作上此标志。
3.6.7其他载荷
3.6.7.1Maxwell面（MXWF）
Maxwell面不是真正的载荷，它只是给模型中将要进行力和力矩计算的面加标志。
一样加给临近界面（空气/铁区分解面）的一层空气单元加Maxwell面标志，ANSYS（用Maxwell应力张量的方式）计算出力后再将结果贮存到这些空气单元中，再在POST1后处置器中对它们求和而取得施加在该部份上的合力。
同时可给多个部件加Maxwell面标志，但这些部件不能共用同一层空气单元。
3.6.7.2磁虚位移（MVDI）
磁虚位移标志不是真正意义上的载荷，它只是给模型中将要进行力和力矩计算的部件加标志。
和Maxwell面的作用相同，只只是用的是虚功方式。
在感爱好区的所有节点上说明MVDI=，在临近的空气区节点上说明MVDI=（缺省值）；也能够设置MVDI>,可是一样都不这么做。
计算所得的力和力矩结果就贮存在临近的空气单元中。
临近感爱好区的空气单元最好是等厚度的。
在POST1中，能够将每一个空气单元中的力进行求和以取得合力。
求解
进行2D谐波分析求解的大体进程与进行2D静态磁场分析求解的进程一样。
要紧不同在于概念一个不同的分析类型罢了，另外，谐波分析要用到一些其他的后处置方式。
3.7.1概念谐波分析类型
命令：
ANTYPE,harmic,new
GUI:
MainMenu>Solution>NewAnalysis
若是是需要重启动一个分析（重启动一个未收敛的分析，或施加了另外鼓励的分析），利用命令ANTYPE,HARMIC,REST。
若是先前分析的结果文件,,和还可用，就能够够重启动分析。
关于单一频率作用下的非线性谐波分析问题，求解的方式是：
命令：
HMAGSOLV
GUI：
MainMenu>Solution>-Solve-Electronmagnet>-HarmonicAnalys-Opt&Solv
后面第9点对HMAGSOLV宏有详细描述，若是不用HMAGSOLV宏，那么可按后面第2到第8条描述的方式进行分析。
此磁宏仅仅用于新的谐波分析，不能用于重启动的分析。
3.7.2概念分析选择项
能够用下面的“Full”全波方式来求解，这是缺省值。
1）第一，概念分析方式：
命令：
HROPT
GUI:
MainMenu>Solution>AnalysisOptions
2）然后，概念谐波自由度解在打印输出（）文件中的显示方式（以实部/虚部的形式或幅值/相角的形式，前者为缺省值），该选项要紧用于采纳CURR和EMF自由度的电路耦合问题：
命令：
HROUT
GUI：
MainMenu>Solution>AnalysisOptions
3.7.3选择求解器
能够选用Frontal（缺省）、SPARSE、JCG或ICCG求解器，对大多数2-D分析推荐利用Frontal求解器。
命令：
EQSLV
GUI：
MainMenu>Solution>AnalysisOptions
注意：
只有先执行了HROPT和HROUT命令的对话框后，才能弹出方程求解器对话框。
关于非线性问题，在收敛准那么知足后（或达到最大迭代次数），程序才会停止迭代计算。
设置收敛准那么的方式如下：
命令：
CNVTOL
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Loads>-LoadStepOpts-Nonlinear>ConvergenceCrit.
MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Nonlinear>ConvergenceCrit.
用户既可利用缺省的收敛准那么，也可概念自己的收敛准那么：
1）缺省收敛准那么
缺省情形下，程序将检查四个自由度（AZ、VOLT、CURR、EMF）的收敛情形。
检查方式是将各自由度不平稳量的SRSS值（平方和的平方根）与收敛准那么值（VALUE×TOLER）进行比较。
VALUE的缺省值与所选择的范数（NORM）、当前总自由度的值（程序选择）和MINREF三者中的较大者的值相关。
通常不用概念MINREF的值，TOLER的缺省值是。
关于自由度，收敛程序将检查两个迭代步之间自由度的转变量:
ΔU=Ui-Ui-1
2）自概念收敛准那么
用户能够自己概念收敛准那么，以代替缺省值。
利用加倍严格的收敛准那么能够提高结果的精度，但需要的迭代次数会多一些。
若是想严格（和放宽）收敛准那么，能够通过将TOLER的值转变一、二个数量级来实现（通常不改变VALUE的缺省值）。
3.7.4设置分析频率
很多电磁问题是作单频分析。
利用以下方式设置分析频率（Hz）：
命令：
HARFRQ
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Loads>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>FreqandSubstps
当只有一个频率时，利用该命令的“FREQB”区域或“FREQE”区域都能够。
3.7.5设置通用选项
可概念谐波解的数量，这些谐波解（或子步）是平均散布在所概念的频率范围（HARFRQ命令）上的，例如，概念谐波频率为30HZ到40HZ，要求解10个子步，那么程序会计算在频率为31HZ、32HZ、……、39HZ和40HZ处的解，范围的最低端（即此处的30HZ）不做计算。
概念谐波解数量的方式如下：
命令：
NSUBST
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Loads>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>
FreqandSubstps
还可概念鼓励载荷是阶跃转变或是斜坡转变：
缺省值是斜坡转变，也确实是说，鼓励的幅值在每一个载荷子步是慢慢转变的；假设设置为阶跃转变，那么在整个频率范围内的各个子步上，鼓励的幅值维持不变。
关于电磁场问题，鼓励通常都是阶跃转变的，斜坡转变有助于加速单一频率作用下的非线性问题的收敛。
命令：
KBC
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Loads>-LoadStepOpts-Time/Frequency>
FreqandSubstps
关于非线性谐波分析，能够概念每一个频率的平稳迭代次数，缺省值为25，建议将该值设为50或更高，以保证收敛。
命令：
NEQIT
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Loads>Nonlinear>EquilibriumIter
3.7.6设置输出操纵
设置在打印输出文件（）中的输出格式：
命令：
OUTPR
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Loads>-LoadStepOpts-OutputCtrls>SoluPrintout
设置在结果文件（）中的输出格式：
命令：
OUTRES
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Loads>-LoadStepOpts-OutputCtrls>DB/ResultsFile
3.7.7备份数据库
按工具条中的SAVE_DB按钮备份数据。
依照如下方式，可从结果文件中读入数据：
命令：
RESUME
GUI：
Utility Menu>File>ResumeJobname.db
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