电磁场有限元1要点解析.ppt

低频电磁场有限元分析（ANSYS） 孙岩桦 副教授 MISI, School of ME Xian Jiaotong Univ. Xian, Shaanxi, P.R. China, 710049 sunyanhua@mail.xjtu.edu.cn §1 电磁场基本概念及理论 1.1 电磁场基本理论 1.2 运动导体中的电磁场 1.3 电磁场能量和力 1.4 物质的磁性 §2 ANSYS低频电磁场有限元分析 2.1 ANSYS低频电磁场有限元分析概要 2.2 分析方法 2.3 3D载流体的建模 2.4 对称性和边界条件 2.5 2D分析常用单元简介 2.1 ANSYS低频电磁场有限元分析概要 2.1 ANSYS低频电磁场有限元分析概要 2.2 分析方法 2.2 分析方法 2.2 分析方法 利用物理问题本身的对称性可以简化模型，提高分析效率。 轴对称：3D问题可简化为2D 奇对称：对称面两边的场分布符号相反 偶对称：对称面两边的场分布相同 周期对称：周期问题只需分析其中一个周期区域 边界条件(以2D分析为例)： KEYOPT(2) 单元速度: 0 -- 单元无相对运动 1 -- 经典速度公式 (KEYOPT(1) =0，1) KEYOPT(3) 单元几何特性: 0 -- 平面 1 -- 轴对称 假设和限制： 单元面积必须大于零; 在做轴对称分析时，在全局坐标系下的Y轴必须是对称轴（轴向），而且模型必须在左半平面(X0); 当单元只有AZ自由度(KEYOPT(1) = 0), 在做谐波或瞬态分析时，如果用 BFE,,JS 命令施加了电流密度载荷，那么该单元表征一个绞线区域，没有施加电流密度载荷时，则表征一个包含涡流效应的实心导体。 谐波分析时不允许有永磁体 在做静磁场（magnetostatic）析时，不能有VOLT, AZ自由度 对于谐波和瞬态分析，不支持速度和电路耦合效应 当用电压源(KEYOPT(1)=2)或电路(KEYOPT(1)=3/4)驱动时： 必须用MKS单位制 磁导率和电导率是定常和各向同性的 线圈区域所有的CURR和EMF自由度必须耦合在一起 在做电路耦合瞬态分析时，若用TINTP命令指定反向欧拉算法的参数时，使用默认值THETA=1.0。 1.4 物质的磁性 3. 硬磁材料和软磁材料 工程上常用的磁性材料通常分软磁材料和硬磁材料两类。 软磁材料：磁性能的主要特点磁导率高，矫顽力低。对某些软磁材料来说，还要求磁化损耗尽可能低； 硬磁材科：磁性能的主要特点是矫顽力高，剩磁感应强度和磁能积也是其最重要的参数； 1. 主要研究对象： 电机/发电机 变压器 螺线管作动器 2. 主要物理量： 磁感应强度（磁通密度） 磁场强度 磁力和力矩 阻抗 滤波器 磁成像系统 连接器 感抗 涡流 功耗 漏磁 3. 电磁分析中系统部件按电磁属性的分类 1）按电特性分： 绝缘体：不存在涡流 绞合导体：不存在涡流 无涡流效应实心导体 包含涡流效应实心导体 2）按磁特性分： 不导磁体：空气、铜、铝等 软磁体：铁、钢 硬磁体：永磁材料 静态 谐波 瞬态 SOLID117 恒定磁场，包含涡流，导磁 3D 绞合导体或实心导体 棱边法 静态 谐波 瞬态 SOLID97 PLANE53PLANE13 恒定磁场，包含涡流，非导磁 2D, 3D 电流、电压、或电路驱动实心导体，线圈区域也划分网格 节点 MVP 静态 SOLID5 SOLID96 SOLID98 恒定磁场，无涡流 3D SOURC36，绞合导体不划分网格，底层区域划分网格 磁标量势 MSP 分析类型 单元类型 应用 维数 导体模型 分析方法 基本分析方法如下表，按照电流引入的不同方式，根据不同问题选用相应的分析方法。 瞬态分析 谐波分析 静态分析 分析类型 3D 2D 节点向量磁势MVP OK OK OK 节点向量磁势MVP OK OK OK 棱边法 NO NO OK 磁标量势MSP OK OK OK 由任意时变电流或外部场产生的磁场，可以包含永磁体 由低频交变电流或电压产生的磁场，不能包括永磁体 由直流电流或永磁体产生的磁场 只能做静态分析 自由度少，速度快， 载流导体不需划分网格 MSP 目前： 不能包括运动效应 不能耦合电路 自由度多，速度慢，3D分析时，如果在不同媒质界面处向量势的法向分量很大时，会存在奇异性，使计算精度降低。 缺点 比MVP方法自由度少，精度高，特别适用于包含铁磁区域的分析 可包括速度效应 可耦合电路 可解决运动问题 优点 用单元边上的变量为自由度而不是节点变量 AX,AY,AZ CURR,EMF,VOLT（耦合电路） 自由度 棱边法 MV