《ANSYS电磁场分析指南第七章3-D谐波磁场分析棱边单元法.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ANSYS电磁场分析指南第七章3-D谐波磁场分析棱边单元法.doc（22页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第七章-谐波磁场分析（棱边单元方法）7.1 用棱边元方法进行谐波分析3-D谐波磁场分析（棱边元方法）与静态分析的特点基本相同，但前者只支持线性材料特性分析。电阻和相对磁导率可以是正交各向异性，也可以与温度相关。谐波分析仍使用SOLID117单元。详见ANSYS单元手册和ANSYS理论手册。7.1.1 物理模型区域的设置和特性ANSYS程序提供了几个选择用于处理3-D磁场分析中的不同的终端条件，以下图示导体的不同的终端条件：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，给单个节点加总电流(F,amps)。注：带有净电流的短路条件，
2、净电流不受环境影响。开路导体DOFs: AZ, VOLT材料特性：mr(MURX), r(RSVX)注：对对称性结构，令一面的VOLT=0，再耦合另一面的节点。对3-D结构，令一个节点的VOLT=0。载流绞线圈DOFs: AX, AY, AZ材料特性：mR(MURX)特殊特性：没有涡流，可以加源电流密度, JS。短路导体DOFs: AZ, VOLT材料特性：mr(MURX), r(RSVX)注：令导体对称面上的VOLT=0。叠层铁芯自由度：AZ材料性质：r（MURX）空气自由度：AZ材料性质：r（MURX）运动导体（速度效应）可用SOLID117单元模拟恒速运动导体的速度效应，关于运动导体详情
3、，见本章和第2章7.1.2 速度效应在交流（AC）激励下，运动导体的某些特殊情况是可以求解电磁场的。速度效应在静态、谐波和瞬态分析中都有效。第2章“二维静态磁场分析”中讨论了运动导体分析的应用情况和限制条件。对于3D问题，设置单元KEYOPT选项和实常数的过程相似于2D谐波分析。在谐波分析中，所加速度为常数，不作正弦变化（线圈或场激励为正弦变化），且垂直于运动方向的运动体截面应保持常数。通过设置单元的KEYOPT（2）=1来激活速度效应，带运动导体的3D谐波分析同样需要运动导体区域具有时间积分电势自由度（VOLT），这通过设置单元的KEYOPT（1）=1（AZ和VOLT自由度）来实现。运动导体
4、分析中能设置的实常数如下表所示：VELOX，VELOY，VELOZ总体笛卡儿坐标系下的X、Y、Z三个方向的速度分量OMEGAX，OMEGAY，OMEGAZ总体笛卡儿坐标系下的X、Y、Z三个方向的角速度分量（单位为HZ），旋转中心由XLOC，YLOC和ZLOC确定XLOC，YLOC，ZLOC旋转中心的总体笛卡儿坐标系的坐标值分量可用谐波分析来仿真静场激励下的运动导体，为了表示静场，需将谐波的频率设置得很低，通常，谐波频率小于0.0001HZ就能产生准静态解，准静态解的结果是存放在实部里的。如果使用波前法求解，谐波的频率可以低到10-8HZ，而对于迭代解法，过低的频率会导致求解不收敛。7.2 3-
5、D谐波磁场分析（棱边元方法）的步骤1.在GUI菜单过滤中选定Magnetic-Edge项2.定义任务名和题目命令：/FILNAME和/TITLEGUI:Utility MenuFileChange JobnameUtility MenuFileChange Title3.进入ANSYS前处理器命令：/PREP7GUI:Main MenuPreprocessor4.选择SOLID117单元命令：ET,solid117GUI: Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete5.选择SOLID117单元选项对导电区用AZ-VOLT自由度，对不导电区用
6、AZ自由度命令：KEYOPTGUI:Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete6.定义材料特性对涡流区必须说明电阻值RSVX，其它详见“二维静态磁场分析”一章7.建立模型对建立几何模型和划分网格的描述，详见“ANSYS建模与分网指南”8.赋予特性命令：VATTGUI: Main menuPreprocessor-Attributes-Define9.划分网格（用Mapped网格）命令：VMESHGUI:Main MenuPreprocessor-Meshing-Mesh-Volumes-Mapped10.进入求解器命令：/SOLUGUI:M
7、ain MenuSolution11.给模型边界加磁力线平行和磁力线垂直边界条件命令：DAGUI:Main MenuSolution-Loads-Apply-Magnetic-Boundary用AZ=0来模拟磁力线平行边界条件，磁力线垂直边界条件自然发生，无需说明。12.加电流密度载荷命令：BFE,jsGUI:Main MenuSolution-Loads-Apply-Magnetic-Excitation除了加电流密度载荷外，还可以给一个块导体加总电流：命令：F,ampsGUI:Main MenuSolution-Loads-Apply-Electric-Excitation-Impress
8、edCurrent-On Nodes注：在加总电流之前需耦合节点VOLT自由度。13.选择谐波分析类型和工作频率命令：ANTYPE,harmic,newGUI:Main MenuSolutionNew AnalysisHarmonic命令：HARFRQGUI:Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencFreq and Substps.14.选择求解器(推荐使用Frontal或ICCG求解器）命令：EQSLVGUI:Main menuSolutionAnalysis Options15.选择载荷步选项16.求解命令：SOLVE(设置OPT域为0)
9、GUI:Main MenuSolutionSolve-Current LS当使用棱边单元方程时，在缺省情况下，ANSYS程序先自动估算整个选择了单元和节点的计算区域。此时通过把自由度的值设置为零来去掉不需要的自由度；这使ANSYS能更块地进行解算：命令：GAUGEGVI:Main MenuSolutionLoad Step Opts magnetics Options Only Gauging使用棱边单元做电磁分析必须要求估算，因此，在大多数情况下，不要关闭自动估算。17.退出SOLUTION处理器命令：FINISHGUI:Main MenuFinish18.按照如下过程进行后处理7.3 观察
10、结果ANSYS和ANSYS/Emag程序将棱边元方法谐波磁场分析的数据结果写入到Jobname.RMG（若选择了时间积分电势（VOLT）选项，则写入到Jobname.RST）文件中。由于谐波分析的很多结果数据是以工作频率w呈谐波变化的，计算结果与输入载荷有相位差（即滞后于输入载荷），所以要写成实部和虚部两部分（可以通过实部解乘以cos(wt)再减去虚部解乘以sin(wt)求模，模是可测量的量）。参看ANSYS理论手册结果数据包括：主数据：节点自由度（AZ,VOLT）导出数据：节点磁通量密度（BX,BY,BZ,BSUM）节点磁场强度（HX,HY,HZ,HSUM）节点洛仑兹磁力（FMAG: X,Y
11、,Z分量和SUM）单元总电流密度（JTX,JTY,JTZ）单位体积生成的焦耳热（JHEAT）单元磁能在后处理磁场分析的结果时，在POST1通用后处理器中可观察整个模型在给定频率处的响应解；在POST26时间历程后处理器中可观察在一个频率范围内某节点或单元的响应解，但在谐波分析中，频率是固定值，所以通常只有POST1来观看数据。按照如下方式选择后处理器：命令：/POST1, /POST26GUI: Main MenuGeneral PostprocMain MenuTimeHist Postpro7.3.1常用的后处理命令及相应的GUI。（见下表）任务命令GUI路径选择实部解SET,1,1,0M
12、ain MenuGeneral PostprocList ResultsResults Summary选择虚部解SET,1,1,1Main MenuGeneral PostprocList ResultsResults Summary列出边通量自由度AZ5PRNSOL,AZMain MenuGeneral PostprocList ResultsNodal Solution列出时间积分电势（VOLT）5PRNSOL,VOLTMain MenuGeneral PostprocList ResultsNodal Solution列出角节点处的磁通量密度1、5PRVECT,BMain MenuGen
13、eral PostprocList ResultsVector Data列出角节点处的磁场强度1、5PRVECT,HMain MenuGeneral PostprocList ResultsVector Data列出单元形心处总电流密度5PRVECT,JTMain MenuGeneral PostprocList ResultsVector Data列出角节点处的力2、6PRVECT,FMAGMain MenuGeneral PostprocList ResultsVector Data列出单元节点上的边通量密度5PRESOL,BMain MenuGeneral PostprocList Re
14、sultsVector Data列出单元节点上的磁场强度5PRESOL,HMain MenuGeneral PostprocList ResultsVector Data列出单元形心处的总电流密度5PRESOL,JTMain MenuGeneral PostprocList ResultsVector Data列出单元节点力2、6PRESOL,FMAGMain MenuGeneral PostprocList ResultsVector Data列出磁能3、5PRESOL,SENEMain MenuGeneral PostprocList ResultsVector Data列出焦耳热密度4、
15、6PRESOL,JHEATMain MenuGeneral PostprocList ResultsVector Data创建单元中心磁通密度5的X分量单元表(Y、Z和SUM分量类似)ETABLE,LAB,B,XMain MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table创建单元中心磁场强度5的X分量单元表(Y、Z和SUM分量类似)ETABLE,LAB,H,XMain MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table创建焦耳热密度的单元表4、6ETABLE,LAB,JHEATMain MenuGeneral Po
16、stprocElement TableDefine Table创建单元中心电流密度5的X分量单元表(Y、Z和SUM分量类似)ETABLE,LAB,JT,XMain MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table创建单元磁力2、6的X分量单元表(Y、Z和SUM分量类似)ETABLE,LAB,FMAG,XMain MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table创建单元贮存磁能的单元表3ETABLE,LAB,SENEMain MenuGeneral PostprocElement TableDefine Tabl
17、e列出选定的单元表项PRETAB,LAB,1,MainMenuGeneral PostprocList ResultsElem Table Data注：1、节点处的导出数据是周围单元解的平均值。2、对于单元解，力是整个单元上的合力，但分布在单元节点上，以便于进行耦合分析。3、能量是对所有单元求和的结果。4、乘以单元体积，可得到能量损失。5、对于时谐分析，其值为瞬态解(实部/虚部, 对应t = 0和t = -90)6、均方根值: 实部和虚部的平方和再开方注意：关于更多的注释信息，参见ANSYS理论手册。ETABLE命令方便用户查看一些不常用的选项。SOLID117单元的各种选项讨论参见ANSYS
18、单元手册。对于这些选项都可以图形化输出，把以上命令的“PR”替换成“PL”即可。（比如用PLNSOL代替PRNSOL）。此命令替换成的命令或者GUI路径：PRNSOLPLNSOLUtilityMenuPlotResultsContourPlotNodal Solution PRVECTPLVECTUtility MenuPlotResultsVector Plot PRESOLPLESOLUtilityMenuPlotResultsContour PlotElem SolutionPRETABPLETABUtility MenuPlotResultsContour PlotElem Table
19、 Data还可以画出单元表的各个项目。参见ANSYS基本过程手册。ANSYS APDL手册中还有相应的方便后处理的一些命令和宏。下面 “从结果文件中读数据” 讨论了一些时谐分析后处理中的一些典型操作。详细的操作参见ANSYS基本过程手册。7.3.2从结果文件中读数据要在后处理器POST1中观察结果，必须保证求解后的模型还在ANSYS数据库中，而且结果文件（Jobname.RMG 或Jobname.RST）也必须可用。时谐分析的结果文件是复数，由实部和虚部组成。用下列方式读入数据：命令：SETGUI: Utility MenuListResultsLoad Step Summary求实部和虚部的
20、平方和之平方根得到结果的幅值，这可以通过载荷工况运算完成。7.3.2.1画等值线等值线几乎可以显示任何结果数据（如磁通密度，磁场强度，总电流密度（JTZ）。命令：PLNSOLPLESOLGUI:Utility MenuPlotResultsContour PlotElem SolutionUtility MenuPlotResultsContour PlotNodal Solution注意：PLNSOL命令及其等效路径画导出数据（如磁通密度和磁场强度）的等值线时，显示的是在节点上作平均后的数据。确认不要对跨越材料边界的数据进行平均，使用下列办法：命令：AVRES,2GUI: Main Menu
21、General PostprocOptions for Outp7.3.2.2列表显示在列表显示之前，可先对结果进行按节点或按单元排序：命令：ESORT，NSORTGUI:Main MenuGeneral PostprocList ResultsSort NodesMain MenuGeneral PostprocList ResultsSort Elems然后再进行列表显示：命令：PRESOL，PRNSOL，PRRSOLGUI:Main MenuGeneral PostprocList ResultsElement SolutionMain MenuGeneral PostprocList
22、ResultsNodal SolutionMain MenuGeneral PostprocList ResultsReaction Solu7.3.2.3计算其他感兴趣的项目从后处理可用的数据库中，还可以计算其他感兴趣的项目（如全局磁力、力矩、源的输入能量、电感、磁链和终端电压）。ANSYS程序设置下列宏来进行这些计算：MMF宏计算沿一路径的磁动势POWERH宏计算导体的均方根（RMS）能耗想了解更多的宏，请参见第11章“电磁宏”。7.3.2.4求时间平均洛仑兹力谐波分析中导体受到的洛仑兹力是按实部和虚部的方式分别存贮的，可如下计算导体任何区域所受到的时间平均洛仑兹力：esel,s,.! S
23、elect elements to calculate forceset,1,1! Store real solutionetable,fxr,fmag,x! Store real part of rms forcesetable,fyr,fmag,yetable,fzr,fmag,zset,1,1,1! Store imaginary solutionetable,fxi,fmag,x! Store imaginary part of rms forcesetable,fyi,fmag,yetable,fzi,fmag,zsadd,fxrms,fxr,fxi! Calculate time-
24、average componentssadd,fyrms,fyr,fyisadd,fzrms,fzr,fzissum! Sum over all selected elements*get,fxrms,ssum,item,fxrms!Retrieve forces as scalar parameters*get,fyrms,ssum,item,fyrms*get,fzrms,ssum,item,fzrms7.4 算例：用棱边元方法计算电机沟槽中的磁场分布7.4.1问题的描述：本例题计算电机沟槽中的磁场分布：在交流情况下，计算磁场、能量，焦耳热损耗和受力。问题的分析区域和沟槽导体模型分别如图2
25、和图3所示。7.4.2本算例所用到的参数：几何特性材料特性载荷l=0.3mmr=1.00i=223626.57=2000+j1000amps(K)d=0.1mr=1E-8WmW=0.01mFreq=3Hz上表给出了电机的几何形状、导体的电导率和磁导率等参数，导体中的电流为2236A，相位角为26.57(对应的复数形式为2000+j1000A，分析频率为3Hz。7.4.3目标结果：时间平均力FXms=-46.89N时间平均焦耳热PAVG=25.9W假定沟槽顶部和底部的铁材料都是理想的，可加磁力线垂直条件，这无需说明，程序自动满足。在位于x=d, z=0和z=1的开放面上，加磁力线平行边界条件，这
26、无法自动满足，需要说明面上的边通量自由度为常数，通常使之为零。本算例采用MKS单位制。/BATCH,LIST/TITLE,harmonic analysis demo of magnetic edge element/COM/NOPR! * Define model parameters!l=0.3! lengthd=0.1! depthw=0.01! widthmur=1! relative magnetic permeabilityrho=1.0e-8! electric resistivity (required for Joule loss)fr=3! rotor frequency
27、at 5% slipcurr=2000.0! current realcuri=1000.0! current imaginaryn=20! meshing parameterpi=3.1415926mu0=pi*4.0e-7! free space permeability! * create model!/prep7! enter preprocessor!ET,1,117,1! Element type#1, is a magnetic edge element, 117.!Note there the isa 1 in the next command slot.!This is ak
28、ey option. Key options are used to!modify/describe features of the default element.!The defaultedge element has only edge flux, AZ,!degrees offreedom, DOFs, supported by the side nodes.!A harmonicanalysis requires the VOLT DOFs at the!corner nodes. This isselected by turning on key option 1.!In gene
29、ral therecan be many key options for a!particular element. In case of element 117,!key option5 can be used for print-out control.!MP,MURX,1,mur! Define relative permeability of material #1MP,RSVX,1,rho! Define electric resistivity of material #1.!BLOCK,0,d,0,w,0,l! Define rectangular block (brick) v
30、olume region,!LSEL,S,LOC,X,d/2! Selectlines to specify the number of elementsLESIZE,ALL,n! Divide thelines along the slot depth for meshingLSEL,ALL! Select all lines.xESIZE,1! Subdivided unmeshed lines into 1 part!VMESH,ALL! Mesh solid volumes.FINISH! Exit preprocessor!/SOLU! Enter solution processi
31、ng!ANTYP,HARM! harmonic analysis!HARFR,fr! specify harmonic frequency! * Apply Dirichlet boundary condition!- The boundary conditionsfor the edge-flux DOF are the same!as in thestatic case. At the flux parallel boundaries,!,x=d, z=0 and z=l, theedge-flux DOFs, AZ, are set to zero.!NSEL,S,LOC,X,d! se
32、lect nodes at x=dNSEL,A,LOC,Z,0! addnodes at z=0 to the selected setNSEL,A,LOC,Z,l! addnodes at z=l to the selected setD,ALL,AZ,0! set AZDOFs on all selected nodes to zero!- In aharmonic analysis boundary condition should be specified!for the VOLT DOFs, too.The current density is normal to the!faces
33、, z=0 and z=l. z=0is selected as ground, i.e. VOLT=0 here.!The VOLT DOFs are thesame at z=l. However, their actual value!is not known. Thisis called as a floating potential condition.!This can be prescribedin ANSYS by coupling the DOFs. Instead!of many unknowns, ANSYS eliminatesall but one in a coup
34、led set.!The only remainingunknown DOFs is called the master DOF.!After solutionis done, the eliminated slave DOFs inherit!the computed valueof the master DOFs. This procedure is!transparent to users.!There is still one extraDOF, i.e. the master DOF as an!extra unknown comparedto the number of equat
35、ions. The missing!condition is that the totalcurrent of the bar in the slot!is given. Since J = - jomega A + grad V, the impressed!current is relatedto the normal component of the time!integratedscalar potential, V. The impressed current can!be prescribed by an Fcommand. Whereas a D command is used!
36、to specify the actualvalue of DOFs, the F command describes!the normal derivative.(Historically D and F stand for !displacementand force, respectively, which are the pertinent!variables ofvolt and current in a structural analysis.)!NSEL,S,LOC,Z,0! select nodes at z=0D,ALL,VOLT,0! setVOLT DOFs to zer
37、o on selected nodesNSEL,S,LOC,Z,l! select nodes at z=lCP,1,VOLT,ALL! couple all selected nodes. This constitutes!coupledset #1. ANSYS allows to define many!coupled sets. This could be explored, for!example, to define currents in several bars.!Her we use only one coupled set.!*get,n1,node,num,min! ge
38、t a node at z=lF,n1,AMPS,curr,curi! impress current at specified node.!NSEL,ALL! select all nodes! * assemble and solve equations system!SOLVE!FINISH! exit solution processing! * Extract solution!/POST1! Enter postprocessor!/COM/COM * real part */COMSET,1,1! Aharmonic analysis provides two result da
39、ta sets.!The SET commandis used to select a data set!tocarry out operations upon. The default set!is thereal part of the last solution step.! *Use the element table (ETABLE) option to!- storepostprocessing items such as volume, centroid coordinates!magneticfield, flux density, current density, eleme
40、nt energy,!Joule loss, magnetic force!- print items in a table format!- carry out operations over items!-obtain totals by summing up element items! - define element table item!ETABLE,fxr,FMAG,X!Store real x component of time-average force!POWERH! calculate time-average power loss!/COM/COM * imaginar
41、y part */COMset,1! select imaginary data set solution!similar operations that on the real set!ETABLE,fxi,FMAG,x! Store imaginary component of time-average force!SADD,fxrms,fxr,fxi! Calculate time-average force by summing components!SSUM! Sum element items to obtain totals!FINISH! * advanced part: co
42、upling!Upto this point magnetics was considered only.!It is demonstrated below,how the results of a magnetic analysis!can bepassed to subsequent thermal and/or structural analyses.! * couple with thermal analysis!/PREP7! enter preprocessor!nodesand elements defined in the magnetic analysis!are used
43、for the thermal analysis!ET,1,90! change element type#1, which used to be a magnetic!element to a thermal element!LDREAD,HGEN,2,rst! Read heatgeneration (HGEN) load from the result file,!ofthe magnetic analysis which defaults to jobname.rst!Note thatthe result file name changed compared to!a static
44、analysis.!The heatgeneration rate (Joule power loss) is the!sum of Jouleheat parts obtained in real and imaginary!result set.This is automatically done if the KIMG!slot of LDREADis set to 2, as show above.!BFELIST,ALL,HGEN!List heat generation (HGEN) element body loads!Compare thelist with the eleme
45、nt Joule power loss!FINISH! Exit preprocessor!From this pointon follow steps of a thermal analysis! * couple with structural analysis!/PREP7! enter preprocessor!nodesand elements defined in the magnetic analysis!are used for the structural analysis!ET,1,45! change element type#1, which used to be a magnetic!element to a structural element!LDREAD,FORC,2,rst! Read nodalforce (FORCE) load from the result fil