第五章3D静态磁场分析标量法.docx

1、第五章3D静态磁场分析标量法第五章-静态磁场分析（标量法）5.1 在3-D静态磁场分析（标量法）中要用到的单元表1三维实体单元：单元维数形状或特性自由度SOLID53-D六面体，8个节点每节点6个：位移、电势、磁标量位或温度SOLID963-D六面体，8个节点磁标量位SOLID983-D四面体，10个节点位移、电势、磁标量位、温度表2三维界面单元单元维数形状或特性自由度INTER1153-D四边形，4个节点磁标量位，磁矢量位表3三维连接单元单元维数形状或特性自由度SOURC363D杆状( Bar)、弧状(Arc)、线圈(Coil)基元3个节点无表4三维远场单元单元维数形状或特性自由度INFIN

2、473-D四边形，4个节点；或三边形，3个节点磁标量位、温度INFIN1113-D六面体，8个或20个节点磁矢量位、磁标量位、电势、温度SOLID96和SOLID97是磁场分析专用单元，SOLID62、SOLID5和SOLID98更适合于耦合场求解。5.2 磁标量位（MSP）法介绍在磁标量位方法中，可使用三种不同的分析方法：简化标势法(RSP)、差分标势法(DSP)和通用标势(GSP)法。若模型中不包含铁区，或有铁区但无电流源时，用RSP法。若模型中既有铁区又有电流源时，就不能用这种方法。若不适用RSP法，就选择DSP法或GSP法。DSP法适用于单连通铁区，GSP法适用于多连通铁区。5.2.1

3、单连通区与多连通区单连通铁区是指不能为电流源所产生的磁通量提供闭合回路的铁区，而多连通铁区则可以构成闭合回路。参见图1(a)、(b)“连通域”。数学上，通过安培定律来判断单连通区或是多连通区，即磁场强度沿闭合回路的积分等于包围的电流（或是电动势降MMF）。因为铁的磁导率非常大，所以在单连通区域中的MMF降接近于零，几乎全部的MMF降都发生在空气隙中。但在多连通区域中，无论铁的磁导率如何，所有的MMF降都发生在铁芯中。5.3 3-D静态磁标势分析的步骤该分析类型与2D静态分析的步骤基本一样：1.建立物理环境2.建模、给模型区域赋属性和分网格3.加边界条件和载荷（激励）4.用RSP、DSP或GSP

4、方法求解5.观察结果5.3.1创建物理环境首先设置分析参数为“Magnetic-Nodal”，并给出分析题目。然后用ANSYS前处理器定义物理环境包含的项目。即单元类型、KEYOPT选项、材料特性等。3D分析的大部分过程与2D分析一致，本章下面部分介绍3D分析中要特殊注意的事项。 SOLID96单元可为模型所有的内部区域建模，包括：饱和区、永磁区和空气区（自由空间）。对于电流传导区，需用SOURC36单元来表示，关于电流传导区建模，后面有详细讲述。对于空气单元的外层区域，推荐使用INFIN47单元（4节点边界单元）或INFIN111单元（8节点或20节点边界单元）。INFIN47单元和INFI

5、N111单元可很好地描述磁场的远场衰减，通常比使用磁力线垂直或磁力线平行条件得到的结果更准确。二种单元中，INFIN111更精确一些。缺省单位制使用MKS单位制(米-千克-秒国际单位制)，可用下列方式改变成其他单位制。一旦选定，所有输入数据都应该使用该单位制。为了方便建模，可以先在其他单位制系统下面建模（如毫米或英寸），然后进行缩放。用下列方式定义单位制：命令：EMUNITGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsElectromag Units根据用户设定的单位制，自由空间的相对导磁率将自动设定：在MKS单位制中，或者根据用命令EMUNIT来设定一个值。

6、5.3.2设置GUI菜单过滤如果你是通过GUI路径来运行ANSYS，当ANSYS被激活后第一件要做的事情是选择菜单路径：Main MenuPreferences，在对话框出现后，选择Magnetic-Nodal。因为ANSYS会根据你选择的参数来对单元进行过滤，选择Magnetic-Nodal以确保能够使用用于3D静态磁场分析的单元。5.3.3定义材料属性分析模型可有一种或多种材料区域：空气、导磁材料、导电区和永磁体。每种类型的材料区具有所要求的材料性质。ANSYS材料库自身带有几种磁性材料，可以直接把这些材料性质读入数据库，不用再手动的逐点输入。如有必要，可对它们进行修改，以便与所分析的课题

7、相匹配。在ANSYS材料库中定义的磁性材料如下：材料材料性质文件Copper（铜）emag Copper. SI_MPLM3 steel（钢）emag M3. SI_MPLM54 steel（钢）emag M54. SI_MPLSA1010 steel（钢）emag Sa1010. SI_MPLCarpenter steel（硅钢）emag Silicon. SI_MPLIron Cobalt Vanadium steel（铁钴钒钢）emag Vanad. SI_MPL该表中铜的材料性质定义有与温度有关的电阻率和相对导磁率，所有其他材料的性质均定义为BH曲线。对于列表中的材料，在ANSYS材料

8、库内定义的都是典型性质，而且已外推到整个高饱和区。你所需的实际材料值可能与ANSYS材料库提供值有所不同，因此，必要时可修正所用ANSYS材料库文件以满足用户所需。5.3.3.1访问材料库文件：下面介绍读写材料库文件的基本过程。详细参见ANSYS入门指南和ANSYS基本过程手册。读材料库文件，进行以下操作：1. 如果你还没有定义好单位制，用/UNITS命令定义。注意：缺省单位制为MKS,GUI列表只列出当前被激活单位制的材料库文件。2. 定义材料库文件所在的路径。（你需要知道系统管理员放置材料库文件的路径）命令：/MPLIB,read,pathdataGUI: Main MenuPreproc

9、essorMaterial PropsMaterial LibraryLibrary Path3. 将材料库文件读入到数据库中。命令：MPREAD,filename,LIBGUI:Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial LibraryImport LibraryMain MenuPreprocessorLoads-Load Step Opts-OtherChange MatPropsMaterial LibraryImport Library写材料库文件，进行以下操作：1. 用MP命令或菜单Main MenuPreprocessorMateria

10、l PropsIsotropic编辑材料性质定义，然后将改后的材料特性写回到材料库文件当中去。2.在前处理器中执行下列命令：命令：MPWRITE,filename,LIB,MATGUI:Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial LibraryExport Library5.3.4定义材料属性和实常数的一般原则下面讲述关于设置物理模型区域的一般原则。在“2-D谐波（AC）分析”一章中详细描述了2-D模型中需要设定的一些特殊区域。5.3.4.1空气：说明相对磁导率为1.0。命令：MP,murxGUI: Main MenuPreprocessorMate

11、rial PropsMaterialModels Electromagnetics Relative Permeability Constant5.3.4.2自由空间导磁材料区：说明B-H曲线，可以从库中读出，也可以输入自己定义的B-H曲线：命令：MPREAD,filename,GUI:Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial LibraryImport Library命令：TB,TBPTGUI:Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsElectromagneticsBH Curve如果该

12、材料是线性的，那么只需说明相对磁导率（对于均匀或者各向异性介质）。如果定义B-H曲线，应满足下列准则，以保证准确地模拟材料属性：*输入B-H曲线必须要遵守的规则：1. B与H要一一对应，且应B随H是单调递增，如第2章中图1所示。B-H曲线缺省通过原点，即0.0点不输入。用下面的命令验证B-H曲线：命令：TBPLOTGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsElectromagneticsBH Curve2. ANSYS计算的-H曲线应该是光滑连续的，可用TBPLOT命令画出-H曲线来进行验证（参见图2（b）。B-H曲线应覆盖材

13、料的全部工作范围。如果需要超出B-H曲线的点，程序按固定斜率进行外推处理，固定斜率应等于或者略大于r，你可以按照如下方式改变X-轴的范围，并用TBPLOT命令画图来观察其外推情况。命令：/XRANGEGUI: Utility MenuPlotCtrlsStyleGraphs对于永磁体和非线性各向异性材料，材料特性的输入与2D情况一样。5.3.5建立模型ANSYS建模和分网指南对3-D标标量位方法进行磁场分析的建模有详细描述，但是对于电流源的处理有一些特殊考虑。5.3.5.1建立电流传导区可以用基元模拟电流传导区域，不需要材料性质。在3D标量位方法分析中，电流源不是有限元模型的一个组成的部分（在

14、2D矢量位方法分析中是一个组成部分）。只需用一个有限元哑元单元，SOURC36，来指明电流源的形状和位置。可以在模型中的任意位置定义线圈、杆状、弧状电流源，电流源的大小和其他电流源数据可以通过哑元单元的实常数定义给出。图3为用SOURC36原始元表示的一个电流源。注意：即使采用半对称或四分之一对称模型，也要为整个电流源建模。线圈和弧单元的内半径不能设置成为0。因为SOURC36单元并不是一个真正的有限元，只能通过直接生成来定义它们，而不能通过实体建模的方式。命令：NGUI:Main MenuPreprocessorCreateNodesIn Active CSMain MenuPreproce

15、ssorCreateNodesOn Working Plane命令：EGUI:Main menuPreprocessorCreateElementsThru Nodes命令：EGENGUI:Main MenuPreprocessorCopyAuto Numbered直接生成的电流源单元在屏幕上是不显示的，可通过以下命令显示：命令：/ESHAPE, EPLOTGUI:Utility MenuPlotCtrlsStyleSize and ShapeUtility MenuPlotElements下面是一个定义电流源的命令流实例：/PREP7ET,2, 36! Current source elem

16、entEMUNIT,MKS! MKS units! Define convenient parameters:I=0.025! Current (amps)N=300! TurnsS=0.04! Solenoid lengthR=0.01! Solenoid radiusTHK=0.002! Solenoid thickness!R=2,1,N*1,THK,S! Real constant set 2:coil type, current! thickness, length,CSYS,1! Global cylindrical systemN,1001,R! Nodes for the so

17、urce elementN,1002,R,90N,1003TYPE,2! AttributesREAL,2E,1001,1002,1003! Element definition/ESHAPE,1/VIEW,1,2,1,.5/VUP,1,Z/TRIAD, LBOT/TYPE,1,HIDPEPLOT关于下列命令的详细描述，参见ANSYS命令手册：ET, EMUNIT, R, CSYS, N, TYPE, REAL,E, /ESHAPE, /VIEW, /VUP, /TRIAD,和/TYPE5.3.6创建3D“跑道型”线圈命令：RACEGUI:Main MenuPreprocessor-Model

18、ing-CreateRacetrack CoilMain MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic-ExcitationRacetrack Coil用RACE宏在当前工作平面坐标系定义跑道型线圈电流源。ANSYS程序用SOURC36单元（被指定为另一种单元类型号）生成由棒状、弧状基元构成的电流源。电流方向为工作平面内的逆时针方向。关于RACE宏和跑道型线圈的详细描述，参见第11章。删除独立的SOURC36单元，用EDELE命令（GUI: Main MenuDeleteElements）。在删除前，列出所有单元，并选择要删除的单元。用下列方式列出所有的

19、单元：命令：ELISTGUI: Utility MenuListElementsAttribute+RealConstGUI: Utility MenuListElementsAttribute OnlyGUI: Utility MenuListElementsNodes+AttributesGUI: Utility MenuListElementsNodes+Attr+RealConst5.3.7施加边界条件和载荷5.3.7.1 3D标量位静态磁场分析加载如果希望分析过程中能进行每步手动控制，那么除了施加边界条件和载荷以外，还需要定义加载步选项。详情参见16章。标量位方法的加载方法与矢量位方

20、法有很大的不同。下列为通过菜单路径定义的边界条件和加载。通过命令方式加载的详情参见16章。通过层叠式菜单可以逐级访问所有加载选项。选菜单路径Main MenuSolution -Magnetic-后，ANSYS程序列出一个边界条件分类表，三个加载分类表。可用于3D标量位分析的边界条件和加载如下：-Boundary-Excitation-Flag-Other-Scalar Poten-(none)1Comp. Force-Magnetic Flux-On Keypoints-Infinite Surf-On KeypointsOn NodesOn LinesOn NodesOn AreasOn

21、Areas-Maxwell Surf-Flux ParallelOn NodesOn Lines-Flux Normal-On AreasOn AreasOn NodesOn Nodes-Virtual Disp-On KeypointsOn Nodes1参见下面“激励”例如，施加磁力线法向条件，选择GUI路径：Main MenuSolution-Loads-Apply-Magnetic-Boundary- -Flux-Normal-On Areas在菜单中还可以看到其他可以施加的边界条件和加载，如果它们显示为灰色，则说明在3D静态磁场分析中不可用，或者该单元的KEYOPT选项没有进行相关设置

22、。（在其他ASNSYS磁场分析中这些灰色选项会成为有效选项，在ANSYS程序GUI过滤器进行相关设置。）5.3.8边界条件5.3.8.1磁标量位用磁标量位(MAG)来说明磁力线垂直、磁力线平行、远场为零、周期性边界条件和外加磁场激励。对每种边界条件MAG的值列表如下：边界条件MAG值磁力线垂直说明MAG=0，用下列方式：命令：DSYM,symmGUI: Main MenuSolution -Loads-Apply -Magnetic-Boundary -Scalar Poten-Flux Normal-On Nodes.磁力线平行不用说明（自然满足）。远场用INFIN47单元或INFIN111

23、单元。远场零MAG=0。周期性命令：CP或CEGUI:Main MenuPreprocessorCoupling/CeqnConstraint EqnMain MenuPreprocessorCoupling/CeqnCouple DOFs外场令MAG等于非零值。5.3.9激励通过前面提到的SOURCE36号单元定义电流激励，可用RACE定义。5.3.10标记5.3.10.1部件受力ANSYS程序提供一个自动施加虚位移和Maxwell面标志的宏FMAGBC，可以直接计算力和力矩。将需要进行力和虚位移计算的物体上的单元定义成一个部件（参见CM命令的描述），再用该宏加力标志：命令：FMAGBC,C

24、nameGUI：Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic-FlagComp.Force5.3.10.2无限表面标志（INF）不算真实意义的加载，是有限元方法计算开域问题时，加给无限元（代表物理模型最边缘的单元）的标志。5.3.11其他加载Maxwell面(MXWF)磁虚位移(MVDI)这两个载荷并不是真正意义上的载荷，与2-D静态磁场分析完全一致。5.3.12求解分别介绍三种标量方法的求解过程。5.3.13用RSP法求解5.3.13.1进入SOLUTION求解器命令：/SOLUGUI: Main MenuSolution5.3.13.2定义

25、分析类型命令：ANTYPE,static,newGUI: Main MenuSolutionNew Analysis如果是需要重启动一个分析（重启动一个未收敛的求解过程，或者施加了另外的激励），使用命令ANTYPE,STATIC,REST。如果先前分析的结果文件Jobname.EMAT, Jobname.ESAV, 和Jobname.DB还可用，就可以重启动3-D静态磁场分析。5.3.13.3定义分析选项你可选择下列任何一种求解器：Sparse solverFrontal solver (缺省值)Jacobi Conjugate Gradient (JCG) solverJCG out-of-

26、memory solverIncomplete Cholesky Conjugate Gradient (ICCG) solverPreconditioned Conjugate Gradient solver (PCG)PCG out-of-memory solver用下列方式选择求解器：命令：/EQSLVGUI:Main MenuSolutionAnalysis Options对于3D模型，推荐使用JCG solver或PCG solver。5.3.13.4备份用工具条中的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：RESU

27、MEGUI:Utility MenuFileResume Jobname.db5.3.13.5开始求解命令：MAGSOLV(设OPT域为2)GUI: Main MenuSolution-Solve-Electromagnet-Static Analysis-Opt&Solv关于手动执行求解，参见16章。5.3.13.6完成求解命令：FINISHGUI: Main MenuFinish5.3.14用DSP法求解只有当模型中有单连通铁区时才建议使用DSP方法。DSP方法中的模型建立与结果观察均与RSP方法一样，只是加载和求解的方式不同。DSP方法需二步求解：在第一个载荷步中，近似认为铁区中的磁导率

28、无限大，只对空气求解；在第二个载荷步中，恢复原有的材料特性，得到最终解。按照下列步骤进行求解：1.进入SOLUTION 求解器，如同RSP方法一样，定义分析类型，分析选项，施加载荷。2.备份数据命令：SAVEGUI: Utility MenuFileSave as Jobname.db注意：如果在求解后或后处理时，使用BIOT选项并且使用SAVE命令，根据毕奥萨发特定律计算的数据存储在数据库中。但如果执行了退出操作，数据会丢失。若希望退出后，保存这些数据，则在使用SAVE命令后，执行/EXIT,NOSAVE命令。也可以通过执行/EXIT,SOLU命令退出ANSYS程序，并且存储所有求解数据，包

29、括毕奥萨发特计算。否则，在执行RESUME操作后，毕奥萨发特计算的数据会丢失。（结果中为0值）3.定义磁场分析选项，进行两步求解：命令：MAGSOLV(设OPT域为3)GUI:Main MenuSolution-Load Step Opts-Magnetics-Static Analy-Opt and Solv4.完成求解命令：FINISHGUI: Main MenuFinish5.3.15用GSP法求解如果模型中又有多连通铁区又有电流源时，GSP方法是最佳方法。与RSP方法和DSP方法不同的是，GSP方法需三步求解：在第一个载荷步中，只对铁区求近似解；在第二个载荷步中，只对空气求近似解；在第

30、三个载荷步中，计算最终解。按照下列步骤进行GSP方法求解：1.进入SOLUTION 求解器，按照后面讲述的“检查分析结果(RSP, DSP, 或 GSP 方法分析)”，定义分析类型，分析选项，施加载荷。确认铁区中至少一个节点的标量位被定义为0值。2.备份数据命令：SAVEGUI: Utility MenuFileSave as Jobname.db注意：如果在求解后或后处理时，使用BIOT选项并且使用SAVE命令，根据毕奥萨发特定律计算的数据存储在数据库中。但如果执行了退出操作，数据会丢失。若希望退出后，保存这些数据，则在使用SAVE命令后，执行/EXIT,NOSAVE命令。也可以通过执行/EXIT,SOLU命令退出ANSYS程序，并且存储