ANSYS电磁场分析指南2D.docx
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ANSYS电磁场分析指南2D
ANSYS电磁场分析指南
第一章磁场分析概述
1.1磁场分析对象
利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模块中的电磁场分析功能，ANSYS可分析计算下列的设备中的电磁场，如：
·电力发电机·磁带及磁盘驱动器·变压器 ·波导·螺线管传动器·谐振腔·电动机·连接器
·磁成像系统·天线辐射·图像显示设备传感器·滤波器·回旋加速器
在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为：
·磁通密度·能量损耗·磁场强度·磁漏·磁力及磁矩·S-参数·阻抗·品质因子Q·电感·回波损耗
·涡流·本征频率
存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场。
1.2ANSYS如何完成电磁场分析计算
ANSYS以Maxwell方程组作为电磁场分析的出发点。
有限元方法计算的未知量（自由度）主要是磁位或通量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出。
根据用户所选择的单元类型和单元选项的不同，ANSYS计算的自由度可以是标量磁位、矢量磁位或边界通量。
1.3静态、谐波、瞬态磁场分析
利用ANSYS可以完成下列磁场分析：
·2-D静态磁场分析，分析直流电（DC）或永磁体所产生的磁场，用矢量位方程。
参见本书“二维静态磁场分析”
·2-D谐波磁场分析，分析低频交流电流（AC）或交流电压所产生的磁场，用矢量位方程。
参见本书“二维谐波磁场分析”
·2-D瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，包含永磁体的效应，用矢量位方程。
参见本书“二维瞬态磁场分析”
·3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用标量位方法。
参见本书“三维静态磁场分析（标量位方法）”
·3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用棱边单元法。
参见本书“三维静态磁场分析（棱边元方法）”
·3-D谐波磁场分析，分析低频交流电所产生的磁场，用棱边单元法。
建议尽量用这种方法求解谐波磁场分析。
参见本书“三维谐波磁场分析（棱边元方法）”
·3-D瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，用棱边单元法。
建议尽量用这种方法求解谐波磁场分析。
参见本书“三维瞬态磁场分析（棱边元方法）”
·基于节点方法的3-D静态磁场分析，用矢量位方法。
参见“基于节点方法的3-D静态磁场分析”
·基于节点方法的3-D谐波磁场分析，用矢量位方法。
参见“基于节点方法的3-D谐波磁场分析”
·基于节点方法的3-D瞬态磁场分析，用矢量位方法。
参见“基于节点方法的3-D瞬态磁场分析”
1.4关于棱边单元、标量位、矢量位方法的比较
什么时候选择2－D模型，什么时候选择3－D模型？
标量位方法和矢量位方法有何不同？
棱边元方法和基于节点的方法求解3-D问题又有什么区别？
在下面将进行详细比较。
1.4.12-D分析和3-D分析比较
3-D分析就是用3-D模型模拟被分析的结构。
现实生活中大多数结构需要3-D模型来进行模拟。
然而3-D模型对建模的复杂度和计算的时间都有较高要求。
所以，若有可能，请尽量考虑用2-D模型来进行建模求解。
1.4.2什么是磁标量位方法？
对于大多数3-D静态分析请尽量使用标量位方法。
此方法将电流源以基元的方式单独处理，无需为其建立模型和划分有限元网格。
由于电流源不必成为有限元网格模型中的一部分，建立模型更容易。
标量位方法提供以下功能：
·砖型（六面体）、楔型、金字塔型、四面体单元。
·电流源以基元的方式定义（线圈型、杆型、弧型）
·可含永久磁体激励
·求解线性和非线性导磁率问题
·可使用节点偶合和约束方程
此外，标量位方法中电流源建模简单，因为用户只需在合适的位置施加电流源基元（线圈型、杆型等）就可以模拟电流对磁场的贡献。
1.4.3什么是磁矢量位方法？
矢量位方法（MVP）是ANSYS支持的两种基于节点的方法中的一种（标量位法是另一种基于节点的方法）。
这两种方法都可用于求解3-D静态、时谐、瞬态分析。
矢量位方法中的每个节点的自由度要比标量位方法多：
因为它在X、Y和Z方向分别具有磁矢量位AX、AY、AZ。
在载压或电路耦合分析中还引入了另外三个自由度：
电流（CURR），电压降（EMF）和电压（VOLT）。
2-D静态磁分析必须采用矢量位方法，此时主自由度只有AZ。
在矢量位方法中，电流源（电流传导区域）要作为整个有限元模型的一部分。
由于它的节点自由度更多，所以比标量位方法的运算速度要慢一些。
矢量位方法可应用于3-D静态、时谐和瞬态的磁场分析计算。
但是，当计算区域含有导磁材料时，该方法的精度会有损失（因为在不同导磁率材料的分界面上，由于矢量位的法向分量非常大，影响了计算结果的精度）。
你可以使用INTER115单元，在同一模型中同时使用3-D标量位方法和3-D矢量位方法。
1.4.4什么是棱边元方法？
我们推荐在解决大多数的3-D时谐问题和瞬态问题时，选用棱边单元法，但此方法对于2-D问题不适用。
棱边单元法中的自由度与单元边有关系，而与单元节点没关系。
此方法在3-D低频静态和动态电磁场的模拟仿真方面有很好的求解能力。
这种方法和基于节点的矢量位法同时求解具有相同泛函表达式的模型时，此方法更精确，特别是当模型中有铁区存在时。
当自由度是变化的情况下，棱边单元法比基于节点的矢量位方法更有效。
ANSYS理论手册中有关于此方法更细致的描述。
1.4.5棱边元方法和矢量位方法的比较
主要的不同在于棱边单元法具有更高的精度，对于3-D分析来说，使用棱边单元的分析过程和用MVP分析的过程基本相同。
所以，如前所述，我们推荐在求解大多数的3-D时谐和瞬态问题时采用单元边方法，但在下列情况下只能用矢量位法：
·模型中存在着运动效应和电路耦合时；
·模型要求电路和速度效应时
·所分析的模型中没有铁区时。
1.5高频电磁场分析
ANSYS程序具有高频电磁分析功能，用于分析计算给定结构的电磁场和电磁波的传播特性。
大多数高频器件都是用电磁波传播信息。
同一器件在不同频率的表现显然是不同的，因此在高频器件设计中，进行频响特性分析就显得尤为重要。
当信号的波长与导波设备的大小相当时，就必须进行高频分析。
ANSYS提供时谐分析和模态分析两种分析方法，详见第10章《高频电磁场分析》。
1.6电磁场单元概述
ANSYS提供了很多可用于模拟电磁现象的单元，表1-1作了简要介绍，单元和单元特性（自由度、KEYOPT选项、输入和输出等）的详细描述请参见ANSYS单元手册。
注意，并非下表中的所有单元都能应用于所有的电磁分析类型，详情请参阅相关分析类型章节的描述。
表1-1电磁场单元
单元
维数
单元类型
节点数
形状
自由度1和其它特征
PLANE53
2-D
磁实体矢量
8
四边形
AZ；AZ-VOLT；AZ-CURR；
AZ-CURR-EMF
SOURC36
3-D
电流源
3
无
无自由度，线圈、杆、弧型基元
SOLID96
3-D
磁实体标量
8
砖形
MAG（简化、差分、通用标势）
SOLID97
3-D
磁实体矢量
8
砖形
AX、AY、AZ、VOLT；AX、AY、AZ、CURR；AX、AY、AZ、CURR、EMF；
AX、AY、AZ、CURR、VOLT；
支持速度效应和电路耦合
INTER115
3-D
界面
4
四边形
AX、AY、AZ、MAG
SOLID117
3-D
低频棱边单元
20
砖形
AZ（棱边）；AZ（棱边）-VOLT
HF119
3-D
高频棱边单元
10
四面体
AX（棱边）
HF120
3-D
高频棱边单元
20
砖型
AX（棱边）
CIRCU124
1-D
电路
8
线段
VOLT、CURR、EMF；电阻、电容、电感、电流源、电压源、绞线圈、2D大线圈、3D大线圈、互感、控制源
PLANE121
2-D
静电实体
8
四边形
VOLT
SOLID122
3-D
静电实体
20
砖型
VOLT
SOLID123
3-D
静电实体
10
四面体
VOLT
SOLID127
3-D
静电实体
10
Tet
VOLT
SOLID128
3-D
静电实体
20
Brick
VOLT
INFIN9
2-D
无限边界
2
线段
AZ-TEMP
INFIN110
2-D
无限实体
8
四边形
AZ、VOLT、TEMP
INFIN47
3-D
无限边界
4
四边形
MAG、TEMP
INFIN111
3-D
无限实体
20
砖型
MAG、AX、AY、AZ、VOLT、TEMP
PLANE67
2-D
热电实体
4
四边形
TEMP-VOLT
LINK68
3-D
热电杆
2
线段
TEMP-VOLT
SOLID69
3-D
热电实体
8
砖型
TEMP-VOLT
SHELL157
3-D
热电壳
4
四边形
TEMP-VOLT
PLANE13
2-D
耦合实体
4
四边形
UX、UY、TEMP、AZ；UX-UY-VOLT
SOLID5
3-D
耦合实体
8
砖型
UX-UY-UZ-TEMP-VOLT-MAG；TEMP-VOLT-MAG；UX-UY-UZ；
TEMP、VOLT/MAG
SOLID62
3-D
磁结构
8
砖型
UX-UY-UZ-AX-AY-AZ-VOLT
SOLID98
3-D
耦合实体
10
四面体
UX-UY-UZ-TEMP-VOLT-MAG；TEMP-VOLT-MAG；UX-UY-UZ；
TEMP、VOLT/MAG
1具体的自由度根据KEYOPT选项的具体设置来激活
1.7关于GUI路径和命令方式
在本指南中，贯穿始终，都会看见许多ANSYS命令流和其等效路径的提示。
这些命令行一般只使用了命令名，并没有列出所有变量参数。
如果在命令后面加了不同的变量，将执行一些其他的更复杂的操作。
若希望了解更复杂的命令语法，请参考《ANSYS命令指南》
我们尽可能多地列出了GUI等效路径的提示帮助。
很多情况下，直接执行GUI路径就可以执行相应的命令函数；在有些情况下，执行GUI路径后，会出现菜单和对话框，根据提示选择相应的选项完成希望执行的命令函数。
对于本指南的所有分析，在定义材料属性时，将应用一种更加仿真的界面形式。
界面根据材料属性的不同，分门别类地分级列出树状形式结构，这样便于用户更加合理的选择材料类型。
详细情况请参见《ANSYS基本过程指南》中的“材料模型界面”。
第二章2-D静态磁场分析
2.1什么是静态磁场分析
静态磁场分析考虑由下列激励产生的静态磁场：
·永磁体·稳态直流电流·外加电压·运动导体·外加静磁场
静磁分析不考虑随时间变化效应，如涡流等。
它可以模拟各种饱和非饱和的磁性材料和永磁体。
静磁分析的分析步骤根据以下几个因素决定：
·模型是2－D还是3－D
·在分析中，考虑使用哪种方法。
如果静态分析为2－D，就必须采用在本章内讨论的矢量位方法。
对于3－D静态分析，你可选其中标量位方法（第5章）、矢量位方法（第9章）、或者棱边元方法（第6章）。
2.2二维静态磁场分析中要用到的单元：
2-D模型要用二维单元来表示结构的几何形状。
虽然所有的物体都是三维的，但在实际计算时首先要考虑是否能将它简化成2-D平面问题或轴对称问题，这是因为2-D模型建立起来更容易，运算起来也更快捷。
ANSYS/Multiphysics和ANSYS/Emag模块提供了一些用于2-D静态磁场分析的单元（如下表）。
详细情况参见《ANSYS单元手册》。
表2-12-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
最多可达每节点4个；可以是磁矢势（AZ）、位移、温度或时间积分电势。
PLANE53
2-D
四边形，8节点
或三角形，6节点
最多可达每节点4个；可以是磁矢势（AZ）、时间积分电势、电流或电动势降。
表2-2.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2-3.通用电路单元
单元
维数
形状或特性
自由度
注意
CIRCU124
无
通用电路单元，最多可6节点
每节点最多可有三个；可以是电势、电流或电动势降
通常与磁场耦合时使用
2-D单元用矢量位方法（即求解问题时使用的自由度为矢量位）。
因为单元是二维的，故每个节点只有一个矢量位自由度：
AZ（Z方向上的矢量位）。
时间积分电势（VOLT）用于载流块导体或给导体施加强制终端条件。
还有一个附加的自由度，电流（CURR），是载压线圈中每匝中的电流值，便于给源线圈加电压载荷，它常用于载压线圈和电路耦合。
当电压或电流载荷是通过一个外部电路施加时，就需要CIRCU124单元具有AZ、CURR和EMF（电动势降或电势降）这几个自由度。
（关于电磁电路耦合的更详细信息，参见《ANSYS耦合场分析指南》）。
2.3静态磁场分析的步骤
静态磁场分析分以下五个步骤：
1.创建物理环境
2.建立模型，划分网格，对模型的不同区域赋予特性
3.加边界条件和载荷（激磁）
4.求解
5.后处理（查看计算结果）
下面将详细讨论这几个步骤，在本章末，还有一个螺线管电磁铁的2－D静态分析例题。
这个例题是以ANSYS图形用户界面的方式来做的，并且还给出了相应的ANSYS命令格式。
2.3.1创建物理环境
在定义一个分析问题的物理环境时，进入ANSYS前处理器，建立这个物理物体的数学仿真模型。
按照以下步骤来建立物理环境：
1、设置GUI菜单过滤
2、定义分析标题（/TITLE）
3、说明单元类型及其选项（KEYOPT选项）
4、定义单元坐标系
5、设置实常数和单位制
6、定义材料属性
2.3.1.1设置GUI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：
MainMenu>Preferences，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2-D静态磁场分析的单元。
2.3.1.2定义分析标题
给你所进行的分析一个能够代表所分析内容的标题，比如“2-Dsolenoidactuatorstaticanalysis”，确认使用一个能够与其他相似物理几何模型区别的标题。
用下列方法定义分析标题。
命令：
/TITLE
GUI:
：
UtilityMenu>File>ChangeTitle
2.3.1.3定义单元类型及其选项
与其他分析一样，进行相应的单元选择，详细过程参见《ANSYS基本过程指南》。
各种不同的单元组合在一起，成为具体的物理问题的抽象模型。
根据处理问题的不同，在模型的不同区域定义不同的单元。
例如，铁区用一种单元类型，而绞线圈需要用另一种单元类型。
你所选择的单元及它们的选项（KEYOPTs，后面还要详细讨论）可以反映待求区域的物理事实。
定义好不同的单元及其选项后，就可以施加在模型的不同区域。
下面的表格和图形显示在2-D分析中存在两种不同区域。
空气
DOF:
AZ
材料特性：
MUr（MURX）,rho（RSVX）（如要计算焦耳热）
铁
DOF:
AZ
材料特性：
MUr（MURX）或B-H曲线（TB命令）
永磁体
DOF:
AZ
材料特性：
MUr（MURX）或B-H曲线（TB命令），Hc（矫顽力矢量
MGXX,MGYY）
注：
永磁体的极化方向由矫顽力矢量和单元坐标系共同控制。
载流绞线圈
（电流恒定？
？
？
）
DOF:
AZ
材料特性：
MUr（MURX）
特殊特性：
加源电流密度JS（用BFE,,JS命令）
注：
假定绞线圈内有不受外界影响的ＤＣ电流。
可以根据线圈匝数，每匝中的电流和线圈横截面积来计算电流密度。
载压绞线圈
（电压恒定？
？
？
）
DOF:
AZ,CURR
材料特性：
MUr（MURX）,rho（RSVX）
实常数：
CARE,TURN,LENG,DIRZ,FILL
特殊特性：
加电压降VLTG（用BFE命令），耦合CURR自由度。
注：
用单元PLANE53建模，外加电压不受外界环境影响。
运动导体
DOF:
AZ
材料特性：
MUr（MURX）或B-H曲线（TB命令）,rho（RSVX）
实常数：
VELOX,VELOY,OMEGAZ,XLOC,YLOC
注：
运动物体不允许在空间上有“材料”的改变。
用PLANE13和PLANE53单元表示所有的内部区域，包括铁区，导电区，永磁体区和空气等。
模拟一个平面无边界问题，可采用2节点边界元INFIN9或4/8节点边界元INFIN110。
INFIN9或INFIN110能模拟磁场的远场衰减，而且相对于给定磁流平行或垂直边界条件而言，远场单元可得到更好的计算结果。
大多数单元类型都有关键选项（KEYOPTs），这些选项用以修正单元特性。
例如，单元PLANE53有如下KEYOPTs：
KEYOPT
（1）选择单元自由度
KEYOPT
（2）指定单元采用通用速度方程还是不计速度效应
KEYOPT（3）设定平面或轴对称选择
KEYOPT（4）设置单元坐标系类型
KEYOPT（5）说明单元结果打印输出选项
KEYOPT（7）保存磁力，用以与有中间节点或无中间节点结构单元进行耦合
每种单元类型具有不同的KEYOPT设置，同一个KEYOPT对不同的单元含义也不一样。
KEYOPT
（1）一般用于控制附加自由度的采用，这些附加自由度用来模拟求解区间内不同的物理区域（例如，绞线导体、大导体、电路耦合导体等）。
关于KEYOPT设置的详细情况参见《ANSYS单元手册》。
设置单元关键选项的方式如下：
命令：
ET
KEYOPT
GUI：
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/delete
2.3.1.4定义单元坐标系
如果你的材料是分层的（迭片材料），或者永磁材料的极性是任意的，那么定义完单元类型及选项后，还需要说明单元坐标系（缺省为全局笛卡尔坐标系），这首先要定义一个局部坐标系（通过原点坐标及方向角来定义），方式如下：
命令：
LOCAL
GUI:
UtilityMenu>WorkPlane>LocalCoordinateSystems>Create
LocalCS>AtSpecifiedLoc
局部坐标系可以是笛卡尔坐标系、柱坐标系（圆或椭圆）、球坐标系或环形坐标系。
一旦定义了一种或多种局部坐标系，就需设置一个指针，确定即将定义的单元的坐标系，设置指针的方式如下：
命令：
ESYS
GUI:
MainMenu>Preprocessor>-Attributes-Define>DefaultAttribs
MainMenu>Preprocessor>Create>Elements>ElemAttributes
MainMenu>Preprocessor>Operate>Extrude/Sweep
2.3.1.5定义单元实常数和单位制
单元实常数和单元类型密切相关，用Ｒ族命令（如R,RMODIF等）或其相应菜单路径来说明。
在电磁分析中，你可用实常数来定义绞线圈的几何形状、绕组特性以及描述速度效应等。
当定义实常数时，要遵守如下二个规则：
1.必须按次序输入实常数，详见《ANSYS单元手册》中的列表。
2.对于多单元类型模型，每种单元采用独立的实常数组（即不同的REAL参考号）。
但是，一个单元类型可注明几个实常数组。
命令：
R
GUI：
MainMenu>Preprocessor>RealConstants
系统缺省的单位制是MKS制（米－安培－秒），你可以改变成你所习惯的一种新的单位制，但载压导体或电路耦合的导体必须使用MKS单位制。
一旦选用了一种单位制，以后所有的输入均要按照这种单位制。
命令：
EMUNIT
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>ElectromagUnits
根据所选定的单位制，空气的导磁率μ0＝4π×10－-7H/M（在MKS制中），或μ0＝EMUNIT命令（或其等效的图形用户界面路径）定义的值。
2.3.1.6定义材料特性
你的模型中可以有下列一种或多种材料区域：
空气（自由空间），导磁材料，导电区和永磁区。
每种材料区都要输入相应的材料特性。
ANSYS程序材料库中有一些已定义好材料特性的材料，可以直接使用它们，也可以修改成需要的形式再使用。
ANSYS材料库中已定义好的材料如下：
材料
材料性质文件
Copper（铜）
emagCopper.SI_MPL
M3steel（钢）
emagM3.SI_MPL
M54steel（钢）
emagM54.SI_MPL
SA1010steel（钢）
emagSa1010.SI_MPL
Carpentersteel（硅钢）
emagSilicon.SI_MPL
IronCobaltVanadiumsteel（铁－钴－钒－钢）
emagVanad.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B－H曲线。
对于列表中的材料，在ANSYS材料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。
2.3.1.6.1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,pathdata
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary>LibraryPath
3.将材料库文件读入到数据库中。
命令：
MPREAD,filename,,,LIB
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary>ImportLibrary
MainMenu>Preprocessor>Loads>-LoadStepOpts-Other>ChangeMat
Props>MaterialLibrary>ImportLibrary
（两者之间的区别？
？
？
？
）
写材料库文件，进行以下操作：
1.用MP命令或菜单MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>Isotropic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,MAT
GUI:
MainMenu>Preprocessor>
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