1、ANSYS 电磁场分析指南（共 17 章）ANSYS 电磁场分析指南 第一章 磁场分析概述：ANSYS 电磁场分析指南 第二章 2-D 静态磁场分析：ANSYS 电磁场分析指南 第三章 -谐波（）磁场分析：ANSYS 电磁场分析指南 第四章 -瞬态磁场分析：ANSYS 电磁场分析指南 第五章 -静态磁场分析（标量法）：ANSYS 电磁场分析指南 第六章 -静态磁场分析（棱边元方法）：ANSYS 电磁场分析指南 第七章 -谐波磁场分析（棱边单元法）：ANSYS 电磁场分析指南 第八章 -D 瞬态磁场分析（棱边单元法）：ANSYS 电磁场分析指南 第九章 3-D 静态、谐波和瞬态分析（节点法）：A
2、NSYS 电磁场分析指南 第十章 高频电磁场分析：ANSYS 电磁场分析指南 第十一章 磁宏：ANSYS 电磁场分析指南 第十二章 远场单元：ANSYS 电磁场分析指南 第十三章 电场分析：ANSYS 电磁场分析指南 第十四章 静电场分析（h 方法）：ANSYS 电磁场分析指南 第十五章 静电场分析（P 方法）：ANSYS 电磁场分析指南 第十六章 电路分析：ANSYS 电磁场分析指南 第十七章 其它分析选项和求解方法： 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
3、，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
4、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
5、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
6、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 2D 模型，什么时候选择 3D 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
7、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
8、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
9、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
10、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，
11、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-EMFSOURC36 3-D 电流源 3 无
12、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INTER1153-D 界面 4 四边形 AX、AY、AZ、MAGSOLID1173-D低频棱边单元20 砖形 AZ(棱边)；AZ(棱边)-VOLTHF119 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)CIRCU1241-D 电路 8 线段VOLT、
13、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PLANE1212-D 静电实体 8 四边形 VOLTSOLID1223-D 静电实体 20 砖型 VOLTSOLID1233-D 静电实体 10 四面体 VOLTSOLID1273-D 静电实体 10 Tet VOLTSOLID1283-D 静电实体 20 Brick VOLTINFIN9 2-D 无限边界 2 线段 AZ-TEMPINFIN1102-D 无限实体 8 四边形 AZ、VOLT、TEMPINFIN47 3-D 无限 4 四边 MAG、TEMP边界 形INFIN1113-D 无限实
14、体 20 砖型 MAG、AX、AY、AZ、VOLT、TEMPPLANE67 2-D 热电实体 4 四边形 TEMP-VOLTLINK68 3-D 热电杆 2 线段 TEMP-VOLTSOLID69 3-D 热电实体 8 砖型 TEMP-VOLTSHELL1573-D 热电壳 4 四边形 TEMP-VOLTPLANE13 2-D 耦合实体 4 四边形 UX、UY、TEMP、AZ；UX-UY-VOLTSOLID5 3-D 耦合实体 8 砖型UX-UY-UZ-TEMP-VOLT-MAG；TEMP-VOLT-MAG；UX-UY-UZ；TEMP、VOLT/MAGSOLID62 3-D 磁结构 8 砖型
15、UX-UY-UZ-AX-AY-AZ-VOLTSOLID98 3-D 耦合实体 10 四面体UX-UY-UZ-TEMP-VOLT-MAG；TEMP-VOLT-MAG；UX-UY-UZ；TEMP、VOLT/MAG1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
16、，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
17、磁分析的分析步骤根据以下几个因素决定：模型是 2D 还是 3D在分析中，考虑使用哪种方法。如果静态分析为 2D，就必须采用在本章内讨论的矢量位方法。对于 3D 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
18、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PLANE132-D四边形，4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。或三角形，3 节点PLANE532-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
19、 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。（
20、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 2D 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
21、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：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 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-D solenoid ac
22、tuator static analysis”，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：/TITLEGUI:：Utility MenuFileChange Title2.3.1.3 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
23、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：MU r (MURX), rho (RSVX) (如要计算焦耳热)铁DOF: AZ材料特性：MU r(MURX)或 B-H 曲线(TB 命令)永磁体DOF: AZ材料特性：MU r (MURX)或 B-H 曲线(TB 命令)，H c(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DOF: AZ材料特性：MU r(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电流。可以根据线圈匝数，每匝中的
24、电流和线圈横截面积来计算电流密度。载压绞线圈DOF: AZ,CURR材料特性：MU r (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：MU r (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
25、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KEYOP
26、T（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：ETKEYOPTGUI：Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/delete2.3.1.4 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
27、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：LOCALGUI:Utility MenuWorkPlaneLocal Coordinate SystemsCreate Local CSAt Specified Loc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：ESYSGUI: Main MenuPreprocessor-Attributes-DefineDefa
28、ult AttribsMain MenuPreprocessorCreateElementsElem AttributesMain MenuPreprocessorOperateExtrude/Sweep2.3.1.5 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
29、个单元类型可注明几个实常数组。命令：RGUI：Main MenuPreprocessorReal Constants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：EMUNITGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsElectromag Units根据所选定的单位制，空气的导磁率 0410 -7 H/M（在 MKS 制中），或 0EMUNIT 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
30、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） 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_M
31、PLIron 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
32、/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 MenuPreprocessorMaterial 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 MenuPr
33、eprocessorLoads-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 MenuPreprocessorMaterial 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 Library2.3
34、.1.6.2 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”中也详细描述了 2-D 模型中需要设定的一些特殊区域。1）空气：说明相对磁导率为 1.0。命令：MP,murxGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models Electromagnetics Relative Permeability Constant2）导磁材料区：说明 B-H 曲线，可以从库中读出，也可以自己输入。命令：MPREAD, filename,GUI:Main MenuPreprocessorMateri
35、al PropsMaterial LibraryImport Library命令：TB,TBPTGUI:Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsElectromagnetics BH Curve* 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 ModelsElectromagne
36、ticsBH Curve2. ANSYS 程序根据 B-H 曲线自动计算 n-B2曲线（n 为磁阻率），它应该是光滑且连续的，可用 TBPLOT 命令来验证，如图 1 所示。3. B-H 曲线应覆盖材料的全部工作范围，确保足够多的数据点以完整描述曲线如果需要超出 B-H 曲线的点，程序按斜率不变自动进行外延处理，你可以如下改变 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 其他原则：1如果材料是线性的，那只需如下说明相对磁导率 mr（可以是各向同性或各向异性）。命令：MP,murxGUI
37、: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsElectromagnetics Relative PermeabilityConstant2如果对同一种材料既定义了非线性的 B-H 曲线，又定义了相对磁导率，ANSYS 将只使用其相对磁导率。3各向异性材料的相对磁导率可用 MP 命令的 MURX、MURY、MURZ 域来分别进行定义，联合使用 B-H 曲线和相对磁导率可定义正交各向异性材料的其中一个方向的非线性行为（如叠片铁磁材料）。要在材料的某个方向上定义 B-H 曲线，只需将该方向上的相对磁导率定义为零即可。例如，假设对材料 2 定
38、义了 B-H 曲线，而只希望该 B-H 曲线作用在材料的 Y 轴上，而材料的 X 轴和 Z 轴都只定义相对磁导率 1000，则可按如下步骤完成mp,murx,2,1000mp,mury,2,0!read B-H curve for material 2mp,murz,2,10002.3.1.7 源导体区：源导体即连有外部电流“发生器”（提供稳恒电流）的导体，当你要计算焦耳热损耗时需说明它的电阻率，电阻率可以是各向同性或正交各向异性。命令：MP,rsvxGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models Electromagnetics
39、 ResistivityIsotropic在静态分析中，阻抗仅仅用于损耗计算。2.3.1.8 运动导体区域：对一个运动导体进行分析（速度效应），要规定各向同性电阻率（以上所示方法）。可求解运动体在特定情况下的电磁场，这些特定情况为：运动体本身表现为一种均匀运动体，亦即运动“材料”在空间保持不变，如图 2 所示的两种情况：第一种情况，一个实体转子绕轴以一个不变速率旋转。第二种情况，一个“无限”长导体以不变的速度平移。诸如开槽转子以不变速度旋转等情形就不能考虑速度效应，因为这种情况下，电机中的“槽”就表示了旋转体在材料上不连续。另外，有限宽的平移导体在磁场中移动也不能考虑速度效应。典型的能考虑速度
40、效应的例子是实体转子感应电机，直线感应电机和涡流制动系统等。静态分析要求输入运动导体的平移速度或旋转速率，速度值和转动中心点坐标通过单元实常数来定义。速度效应通过单元关键选项来激活，而且只有 PLANE53 单元有此功能。2.3.1.9 运动体分析的实常数有：VELOX，VELOY 在总体直角座标系的 X 和 Y 方向上的速度分量。OMEGAZ 关于总体直角座标系 Z 轴的角(旋转)速度(以周/秒(HZ)表示)。XLOC，YLOC 转动中心点在总体直角座标系上的 X、Y 坐标值。运动体电磁分析问题的分析结果精度与网格的精细程度、磁导率、电导率和速度相关，可用磁雷诺数（Reynolds Numb
41、er）来表示：Mrevd /式中 为磁导率、 为电阻率、v 为速度、d 为导体有限元单元的特征长度（沿运动方向），磁雷诺数只在静态或瞬态分析中有意义。运动方程只是在磁雷诺数相对小时才有效和精确，典型量级为 1.0，高雷诺数时精度随问题而变化。在后处理中可计算和获得磁雷诺数。除磁场解外，还可在在后处理中得到由速度引起的电流，即速度电流密度（JVZ）。2.3.1.10 永磁区：需要说明永磁体的退磁 B-H 曲线（如果是线性，可用相对导磁率）和磁矫顽力矢量(MGXX,MGYY 或 MGZZ)。命令：MPGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial
42、ModelsElectromagneticsBH Curve退磁 B-H 曲线通常在第二象限，但需按第一象限输入，在输入的 H 值中要增加一个偏移量Hc（定义如下），图 3 显示了实际退磁曲线和 ANSYS 退磁曲线的差别。Hc 为矫顽力矢量的幅值，矫顽力矢量常和单元坐标系一起定义永磁体的极化轴方向。下面例题所示为一个条形磁体在总体坐标 XY 平面内处于与 X 轴呈 300夹角的轴线上, 磁体单元被假定赋予一个局部单元座标系，该局部坐标系的 X 轴与极化方向一致。本例还展示了磁体退磁特性和相应的材料性质输入。/PREP7HC=3000! 矫顽力BR=4000! 剩磁感应强度THETA=30!
43、永磁体极性方向*AFUN,DEG! 角度以度表示MP,MGXX,2,HC! 矫顽力 X 分量! B-H 曲线:TB,BH,2! 材料号 2 的 BH 曲线TBPT,DEFI,-3000+HC,0! 偏移后的 BH 曲线TBPT,-2800+HC,500! 第一点“DEFI”缺省TBPT,-2550+HC,1000TBPT,-2250+HC,1500TBPT,-2000+HC,1800TBPT,-1800+HC,2000TBPT,-1350+HC,2500TBPT,-900+HC,3000TBPT,-425+HC,3500TBPT,0+HC,4000TBPLOT,BH,2! 绘制 BH 曲线图
44、4 展示了在第一象限内创建的永磁体 BH 曲线，在 ANSYS 命令手册中，对*AFUN、MP、TB、TBPLOT 等命令有更详细的描述。联合使用一条 BH 曲线和正交相对磁导率，可以描述非线性正交材料（叠片结构）。在每一个相对磁导率为零的单元坐标系方向上，ANSYS 将使用该 B-H 曲线。2.3.1.11 载压绞线圈：对载压绞线圈，要定义电阻率。按如下方式定义：命令：MP,rsvxGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsElectromagneticsResistivityIsotropic绞线圈是按形缠绕的单股连续型线
45、圈，如下图图 5 所示。对这样的线圈要定义各向同性（且只能是各向同性）电阻值。载压绞线圈只能用 PLANE53 单元来建模，还需要定义下列实常数:CARE 线圈横截面积。无论对称性如何，此常数代表绞线型线圈的实际物理面积。TURN 线圈总匝数。无论对称性如何，此常数代表绞线型线圈的实际总匝数。LENG Z-方向上线圈长度。在 2-D 平面分析中，此常数代表线圈的实际长度。DIRZ 电流方向，详见单元手册对 PLANE53 的描述。FILL 线圈填充因子。此常数代表线圈组在线圈横截面积中所占的比例，它影响线圈的电阻值（还可以用它来“调正”线圈电阻值）。2.3.2 建模，分网，指定特性建模过程可参
46、照ANSYS 建模和分网指南，然后在模型各个区域内指定特性（单元类型、选项、单元坐标系、实常数和材料性质等，参见“（）建立物理环境”部分。通过 GUI 为模型中的各区赋予特性：1. 选择 Main MenuPreprocessor-Attributes-DefinePicked Areas2. 点击模型中要选定的区域。3. 在对话框中为所选定的区域说明材料号、实常数号、单元类型号和单元坐标系号。4. 重复这些步骤，直至处理完所有区域。通过命令为模型中的各区赋予特性：ASEL（选择模型区域）MAT（说明材料号）REAL（说明实常数组号）TYPE（指定单元类型号）ESYS（说明单元坐标系号）指定完
47、毕各区域特性后，就可划分有限元网格了，详见ANSYS 建模和分网指南。2.3.3 施加边界条件和载荷 既可以给实体模型（关键点、线、面）也可以给有限元模型（节点和单元）施加边界条件和载荷，在求解时，ANSYS 程序自动将加到实体模型上载荷转递到有限元模型上。通过一系列级联菜单，可以实现所有的加载操作。当选择 Main Menu Solution Loads Apply Magnetic 时，ANSYS 程序将列出所有的边界条件和三种载荷类型。然后选择合理的类型和合理的边界条件或载荷。对于一个 2D 静态分析，能选择的边界条件和载荷如下：-Boundary- -Excitation- -Flag
48、- -Other-Vector Poten- -Curr Density- Comp. Force -Curr Segment-On Keypoints On Keypoints -Infinite Surf- On KeypointsOn Nodes On Nodes On Lines On Nodes-Flux Par“l- On Elements On Areas -Maxwell Surf-On Lines Voltage Drop On Nodes On LinesOn Nodes On Areas-Flux Normal- On NodesOn Lines -Virtual Dis
49、p-On Nodes On KeypointsPeriodic BCs On Nodes例如，施加电流密度到单元上，GUI 路径如下：GUI：Main MenuPreprocessor-Loads-Apply-Magnetic- -Excitation-Curr Density - On Elements在菜单上你可以见到列出的其他载荷类型或载荷，假如它们呈灰色，就意味着在 2-D静态分析中不能加该载荷，或该单元类型的 KEYOPT 选项设置不合适。另外，也可以通过ANSYS 命令来输入载荷。要列出已存在的载荷，方式如下: GUI: Utility MenuListLoadsload type下面将详细描述可以施加的各种载荷：2.3.3.1 边界条件2.3.3.1.1 磁矢量位(AZ)通过指定磁矢量位，可以定义磁力线平行、远场、周期性边界、以及外部强加磁场等条件。下表列出了每种边界条件需要的 AZ 值：边界条件AZ
