电磁场基础知识第三章-1.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,January 30,1999,3.1-,*,*,用,ANSYS/,Emag,进行电磁场分析,版本 5.5(001172),第三章,第1节,2-,D,交流和瞬态分析,交流模拟的基本概念,交流模拟是一种随时间变化的模拟,假定励磁为正弦波,角(度,),励磁电压,(,V),电流密度(,A/m,2,),2,可用两个场分量来表示,电相角为0场分量,电相角为90场分量,考虑一个导电杆,在一个绞线线圈中,3,通量平行条件,通量垂直条件,绞线圈,二维轴对称有限元模型,电流密度:1,E6 A/m,2,频率:100,Hz,导电杆,4,二种求解结果:,实数解:线圈励磁相位0度,虚数解：相位差90度,实数解,虚数解,5,利用这两种求解结果，任何时间处的场量都能用迭加的方法来生成,执行动画文件：,acaz,.,avi,观察场动画,6,根据,Faradays,定律，线圈中的时变电流会在导体中感生电流,执行动画文件,acjt,.,avi,，观察电流动画,7,其他假定,模拟只考虑感应效应,Faradays,定律,在绞线圈中感生电流,在大导体内电流会重新分布,不考虑射频效应,模拟是线性的,几何体不变,保持均匀性条件,如果用,BH,曲线描述材料性质，就可以模拟饱和状态,8,导电杆中最值得注意的电流效应是感生电流的非均匀性,杆中心,杆外半径,(,m),9,集肤效应是由,Amps,定律和,Faradays,定律耦合而产生,无源、半平面导体电场每隔如下厚度衰减1/,e：,=(f),-1/2,(m),式中,=,磁导率=,r,0,=,电导率=1/,=,电阻率 (,Ohm-m),f,=,频率(,Hz),10,导电杆取下列数据:,=100,0,0,=1.2566E-6 (H/m),=2E-7(Ohm-m),f=100(Hz),代入,=(3.1415)(100)(1.2566E-6)(.5E+7)(100),-1/2,=.0023 m,=2.3 mm,与图形相对应，从外半径（7.7,mm）,向内2.3,mm，,由于轴对称形状的影响，电流,衰减值大于表面电流值的,1/,e (2.71)。,11,模拟交流状态，有三种基本物理考虑,(1),模拟施加到,线圈/导电杆上的功率的方法,施加电流边界条件,已知电流值,致动器,感应加热,施加电压边界条件,不知道电流值,电机,施加了任意载荷的非理想变压器,12,(2),导电体类型,绞线型导体:,导体是否细到足以忽略涡流效应的影响?（涡流效应以非均匀的方式重新分布电流）,典型应用:,变压器绕组,电机绕组,致动器,绕组,13,块导体:,导体大到足以允许涡流的产生。,场量和电流的峰值在一个或多个面上会重新分布,典型应用:,变压器中的大导体,鼠笼电机导电杆,感应加热,14,B,SUM(T),MX,电流密度幅值(,A/m,2,),MX,导电杆,在绞线圈内的圆柱形导电杆上能观察到涡流效应,15,(3)终端条件,终端短路条件:,导体间是否在端部连接以允许电流在导体之间流过?,三维导体终端连接,二维模型,16,端部短路条件不用任何对称条件，只模拟导体一部分:,三维导体终端连接,部分导体不建模,二维模型,17,端部开路条件:,导体端部是否分开以至于电流不能在导体之间流过,?,三维导体在终端开路,二维模型,18,材料性质:,要模拟涡流，需另外提供的材料性质是电阻率,(,RSVX),单位：欧姆-米,某些单元类型选项要求定义电阻率，可参考单元选项的帮助文档,RSVX,可以是的温度的函数,19,如何模拟叠片铁芯?,叠片允许使用可导磁的材料，但无损于铁芯中涡流的发展。,可是，,BH,数据和磁导率是频率、叠片材料和叠片厚度的函数。,通常，如果存在空气隙，就可不需要考虑迭层系数。如果需要考虑的话，迭层系数效应包含在磁导率数值内。,20,迭片平行于磁通:,eff,=S(,r,-1)+1,式中,r,=,迭片磁导率,S =,W,i,/(,W,i,+,W,a,),W,i,=,一个迭片厚度,W,a,=,迭片之间非导磁材料厚度,叠片,磁通方向,21,迭片垂直于磁通:eff,=,r,/,r,-S(,r,-1),式中,r,=,迭片磁导率,S =,W,i,/(,W,i,+,W,a,),W,i,=,单个迭片厚度,W,a,=,迭片之间非导磁材料厚度,磁通方向,叠片,22,应用:电机槽内导体,问题描述,平面,导体为电流供电,导体为块导体,导体和空气都在磁导率无限大的槽内,分析顺序,建模,加边界条件,执行模拟,后处理,磁力线,功率损失,导体,空气,铁,23,性质,导体:,r,=1,=17.1 -mm,空气:,r,=1,槽材料:完全导磁材料,励磁,1,安培(峰值)交流电流,初始,相位为0度,空气,铁,导体,24,因为电流加在整个导体截面上，要求,VOLT,自由度耦合,建立两种单元类型,空气为1号单元类型,导体为2号单元类型，具有,VOLT,自由度,Preproc,element typeadd/edit/delete,导体为2号单元类型,平面,选择,OK,25,建立空气材料,(,MURX=1),性质（,1,号材料）,Preproc,material propsisotropic (,用,Apply,来选择),建立导体材料,(,MURX=1 and RSVX=17.1E-9),性质（2号材料）,Preproc,material propsisotropic,选择,OK,26,为建模输入参数,A=6.45 mm,B=8.55 mm,C=8.45 mm,D=1885 mm,E=8.95 mm,用二者之一,1),窗口命令,2),Utilityparameterscalar,输入参数后选择,Accept,27,选择,Apply,建立导体上半部份,建立导体下半部份,Preproc,createrectangleby dimensions,把上下导体连成一个平面,Preproc,operateaddareas Pick All,28,建空气间隙,利用,glue,操作连接两个平面,Preproc,operateglueareas,选择,Pick All,选择,OK,29,空气区域属性的缺省值为1号材料和1号单元,给导体赋属性,Preproc,-Attributes-definepicked areas,(,选择导体),选择,OK,30,生成网格,Preproc,mesh-areas-free mesh,选择,Pick All,打开材料号显示,31,模拟端部条件需要耦合电压（,VOLT）,自由度,选择导体节点,32,进行耦合,Preproc,coupling/,ceqn,couple,DOFs,耦合显示符号,主节点,选择,OK,33,空气隙上部加通量平行条件,Preproc,loadsapplyboundaryflux parlon lines,34,利用,.001,系数来缩放模型，使其单位制从毫米变化到米,选择整个模型,Preproc,operatescaleareas,选择,OK,35,给导体加峰值电流（安培）,Preproc,loadsapply-electric-excitationon,keypoints,选取导体的任一个关键点,给该点加上1安培峰值电流,选择谐波分析类型,Solutionnew analysis,(,选择,Harmonic,),36,设置分析的交变频率,Solutiontime/,frequenc,freq&,substeps,终止频率：允许模拟多个频率,多个频率模拟时，确保相同频率激励,确定（模拟）中间频率分段数,37,进行模拟,Utilityselecteverything,Solutioncurrent LS,选择,OK,38,后处理可处理两个解,检察外加电流时的同相场(实数解,),Postproc,by load step,选择,OK,39,电流分布,选择导体,Postproc,elec,&,mag,calccurrent,对于实数解,磁力线图示,Postproc,plot results,2D flux lines,40,利单元表数据,JT（,实数解）看电流等值图,Postproc,plot results,elem,table,41,检察与外加电流相差90度相位的场量（虚数解）,Postproc,by load step,选择,OK,42,磁力线图示,Postproc,plot results,2D flux lines,电流分布,选择导体,Postproc,elec,&,mag,calccurrent,虚数解,43,Postproc,plot results,elem,table(,虚数解),选择,OK,44,计算导体中的功率损失,Postproc,elec,&,mag,calcpower loss,功率损失为单位导体长度,结果以参数方式贮存，可用命令,Utilityparameterscalar,来观察,45,图示功率损失,Postproc,plot results,elem,table (PLOSSD),选择,OK,46,应用实例:带圆环的交流致动器,例题描述,轴对称加载电压,绞线型线圈,屏蔽极是一个圆环,分析顺序,建模,加边界条件和载荷,进行模拟,后处理,时间平均力,屏蔽极功率损失,线圈阻抗,Z=V/I =Re+,jRi,47,Units:m,材料性质:,线圈:铜,直流电阻:,12,400,匝,32 线径,=17.1 -mm,铜环:,r,=1,=17.1-mm,空气:,r,=1,定子和衔铁,:,铁素体,r,=1000,1-m,励磁,:,24,V RMS AC,模型:,轴对称,48,物理区域描述,屏蔽极,圆环是连续的,截面电流不为零.,线圈,线圈由小于32线径导线组成，细绞线忽略集肤效应.,铁芯区,(衔铁和定子),导磁,电阻太大而不计涡流.,49,利用,acsolen,.,mac,宏建模,未图示空气单元,线圈属性,单元类型:,设置2号单元,(,Plane53),线圈要求电压供电,实常数设置,设置 4,要求相应于直流电阻12欧姆的线圈,400,匝,50,屏蔽环属性,连续圆环：短路状态,单元类型:,1,号单元,(,Plane53),材料,设置 4,电阻率,RSVX,定子（非导体）,单元类型:,1,号单元(,Plane 53),材料号,2,衔铁（非导体）,单元类型:,1,号单元(,Plane 53),材料号,3,Shading ring,51,为了确定自由度，可查询,Help,UtilityHelpT of Canalysis guideElectromagneticHarmonic,52,确定线圈单元类型选项,Preproc,element typeadd/edit/dele,选择,OK,选择,Options,53,空气,定子,衔铁,线圈,屏蔽圆环,证实材料性质,54,建立电阻为12欧姆、400匝的轴对称线圈的实常数数据,实常数数据要求:,线圈模型横截面,(,Ac),单位:,m,2,线圈匝数（400）,填充系数(,CF),CF=Aw/Ac,Aw=,铜线总截面积（不包括绝缘层）,单位:,m,2,55,将面积输入参数,ACOND,Utilityparametersget scalar,选择,OK,求得线圈的截面积,选择线圈平面,计算线圈截面积,Preproc,operatecalc,geom,itemsof areasOK,56,输入参数名,选择,OK,由,Utilityparametersscalar,菜单证实参数,57,线圈填充系数必须由匝数、电阻率和面积组成，从而得12欧姆的线圈直流电阻,轴对称矩形线圈填充系数,Cf,表达式为,式中,=.17241E-7,N=400,Ac=ACOND,参数,X,c,=,线圈横截面质心径向距离,质心径向尺寸,X,c,可输入,XCOND,参数,2,X,c,N,2,Ac,R,coil,Cf,=,58,Utilityparametersget scalar,选择,OK,选择,OK,输入参数名,59,选择,Accept,线圈填充系数,CF,由,Utilityparameters,菜单计算,许多致动器设计都在同一窗口并联多个线圈，如果只对一个线圈进行模拟，则只要求建立这一个线圈的模型，这导致填充系数看起来很低,60,假设线径和匝数已选定（线圈电阻未知）,查找本线规的总截面积,线径32，,Aw=.0324 mm,2,Cf,=,铜的总截面积/线圈截面积,Cf,=400(.0324)(1E-6)/6.6E-5 =.196,61,为线圈建立4号实常数,Preproc,real constants,选择,Add,选择,OK,62,输入线圈实常数数值，,选择,OK,应用下列菜单列出实常数,Utilitylistpropertiesall real constants,63,线圈区域需要对全部节点的,CURR,自由度值相同（由于电流守恒，流进线圈的电流必须等于流出的电流值）,线圈区域耦合节点,选择线圈区域全部节点,Preproc,couplingcouple DOF Pick All,选择,OK,必须是一个新的设置参数号,64,利用,APDL,可以获得当前的最大耦合设置号,Utilityparametersget scalar data,输入参数名,选择,OK,输入的耦合组号应是,CP_MX+1,选择,OK,65,加上电压励磁,Preproc,loadsapply-voltage dropon areas,选择线圈区域（面积）,选择,OK,峰值电压,66,沿模型边缘加通量平行边界条件,Preproc,applyboundary-flux parl-on lines,选择模型边缘上的全部线,衔铁组件施加力标志,Preproc,applyflagcomp.force,选择,OK,67,选择分析类型，进行模拟,Solu,new analysis,选取谐波分析,设置激励频率（60,Hz）,Solu,time/,frequenc,freq&,substps,选择,OK,开始求解,Solu,solve current,ls,选择,OK,68,AC,模拟实际上可得两组结果数据,节点和单元的与激励同相的场量结果（实数解）,节点和单元的与激励相差90度相位的场量结果（虚数解）,读入虚数解,Postproc,by load step.,选择,OK,69,得到虚数解磁力线,（,虚数部分场量为缺省条件),Postproc,plot results2D flux lines,在气隙和铜环附近的,BSUM (,总磁通密度),70,实数部分磁力线,加载实数解结果.,Postproc,by load step,选择,OK,71,与电压激励同项的场量结果（实数解）,在铜环和气隙区附近的,BSUM,72,获取时间平均衔铁磁力,Postproc,elec,&,mag,calccomp.force,选择OK,频率(,Hz),由虚功法计算的力,Maxwell,应力张量法计算的力,73,确定屏蔽极铜环功率损失,选择铜环单元（材料号5）,Postproc,elec,&,mag calcs,power loss,图示环内功率损失,Postproc,plot results,elem,table,74,利用单元表,ERES,选项，可观察到线圈直流电阻，该值贮存于序列号8内（见,PLANE53,单元的帮助文档）,选择线圈区域（,COIL,组件）,定义单元表,ERES，,选择,ADD,Postproc,element tabledefine table ADD,选择,OK,75,通过求和线圈全部单元的电阻,ERES,，得到总的电阻值,Postproc,element tabledefine tablesum of each item,这个通过单元表得到的电阻值与通过实常数定义的12,欧姆差别很小,76,利用,V/I,计算线圈终端阻抗，式中,V,和,I,有实数和虚数两个分量，,I,对应于线圈节点的,CURR,自由度.,单位:安培(峰值),选取线圈全部节点,为了正确地识别,CURR,自由度分量，重新读取虚数分量结果,Postproc,-read results-by load step IMAGINARY,选择,OK,77,列出线圈激活节点虚数解中的,CURR,自由度结果,Postproc,list resultsnodal solution,选择,OK,求解结果标识,78,读取实数解.,Postproc,-read resultsby load step,选择,OK,列出实数解的,CURR,结果,Postproc,list resultsnodal solution (use CURR as before),实数解标识缺省,79,由下列公式计算阻抗,Z =,Z,real,+j,Z,imag,V,real,=24*,sqrt,(2),V,imag,=0(,励磁电压只有实数分量,）,Z,imag,=,V,real,*,I,imag,/,I,mag,Z,real,=,V,real,*,I,real,/,I,mag,I,mag,=(I,real,2,+,I,imag,2,),From the solution,I,real,=1.22,I,imag,=2.04 ,I,mag,=5.66,Z,imag,=,12.23 =2f L,so L=32.4,mH,Z,real,=,7.31,80,