ANSYS电磁场分析指南第十六章.docx

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ANSYS电磁场分析指南第十六章

ANSYS电磁场分析指南第十六章

发表时间：

2007-9-20  作者:

安世亚太  来源:

e-works

关键字:

 ANSYS 电磁场分析 CAE教程 

第十六章电路分析

16.1 什么是电路分析

电路分析可以计算源电压和源电流在电路中引起的电压和电流分布。

分析方法由源的类型来决定：

源的类型分析方法

交流（AC）谐波分析

直流（DC）静态分析

随时间变化瞬态分析

要在电磁学分析中用有限元来模拟全部电势，就必须提供足够的灵活性来模拟载流电磁设备。

ANSYS程序对于电路分析有如下性能：

·用经过改进的基于节点的分析方法来模拟电路分析

·可以将电路与绕线圈和块状导体直接耦合

·2-D和3-D模型都可以进行耦合分析

·支持直流、交流和时间瞬态模拟

ANSYS程序中先进的电路耦合模拟功能精确地模拟多种电子设备，：

·螺线管线圈

·变压器

·交流机械

16.2 使用CIRCU124单元

ANSYS提供一种通用电路单元CIRCU124对线性电路进行模拟，该单元求解未知的节点电压（在有些情况下为电流）。

电路由各种部件组成，如电阻、电感、互感、电容、独立电压源和电流源、受控电压源和电流源等，这些元件都可以用CIRCU124单元来模拟。

注：

本章只描述CIRCU124单元的某些最重要的特性，对该单元的详细描述参见《ANSYS单元手册》。

16.2.1 可用CIRCU124单元模拟的电路元件

对CIRCU124单元通过设置KEYOPT

（1）来确定该单元模拟的电路元件，如下表所示。

例如，把KEYOPT

（1）设置为2，就可用CIRCU124来模拟电容。

对所有的电路元件，正向电流都是从节点I流向节点J。

表1CIRCU124单元能模拟的电路元件

电路元件及其图形标记

KEYOPT

（1）设置

实常数

电阻（R）

0

R1=电阻（RES）

电感（L）

1

R1=电感（IND）

R2=起始电感电流（ILO）

电容（C）

2

R1=电容（CAP）

R2=起始电容电压（VCO）

互感（K）

8

R1=初级电感（IND1）

R2=次级电感（IND2）

R3=耦合系数（K）

电压控制电流源（G）

9

R1=互导（GT）

电流控制电流源（F）

12

R1=电流增益（AI）

电压控制电压源（E）

10

R1=电压增益（AV）

电流控制电压源（H）

11

R1=互阻（RT）

绕线圈电流源（N）

5

R1=系数（SCAL）

2D块状导体电压源（M）

6

R1=系数（SCAL）

3D块状导体电压源（P）

7

R1=系数（SCAL）

注意：

全部的电路选项如上表和下图图1所示，ANSYS的电路建模程序自动生成下列实常数：

R15（图形偏置，GOFFST）和R16（单元识别号，ID）。

本章下一节将详细讨论电路建模程序。

下图显示了利用不同的KEYOPT

（1）设置建立的不同电路元件，那些靠近元件标志的节点是“浮动”节点（即它们并不直接连接到电路中）。

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16.2.2CIRCU124单元的载荷类型

对于独立电流源和独立电压源可用CIRCU124单元KEYOPT

（2）选项来设置激励形式，可以定义电流或电压的正弦、脉冲、指数或分段线性激励。

详细的载荷函数图和相应的实常数请参见《ANSYS单元手册》。

16.2.3 将FEA（有限元）区耦合到电路区

可将电路分析的三种元件耦合到FEA区，图2所示的这三种元件直接连接到有限元模型的导体上（耦合是在矩阵中进行耦合的，因此只能为线性的）：

在绞线圈连接中不能存在涡流，磁矢势（MVP）和电流决定线圈电压，连接的电路方程为：

上述方程中，Rc为线圈电阻，nc为匝数，Sc为线圈横截面积

在块导体连接中可以考虑集肤效应，导体中的MVP和电压决定总电流，连接的电路方程为：

上述方程中，LC是导体长度，ΔV是电压降。

ANSYS程序通过电路元件和FEA导体单元上两个附加的自由度来达到耦合的目的，这些自由度特性如下：

·CURR—流过电路和模型导体的电流

·EMF—模型导体（2D绞线圈、2D块导体和3D线圈导体）的电压降

·VOLT—3D块状导体内的电位

16.3 使用CIRCU125单元

可以用CIRCU125单元为通用二极管和齐纳二极管建模。

使用此单元时，请注意：

·在二极管任何状态下，其I-U曲线的分段线性特性对应于一个Norton等效电路，这个等效电路有一个动态阻抗（在工作点反向倾斜）和一个电流源（在I-U曲线的切线和I轴相交）。

·如果电压降比二极管（通常是理想二极管）的导通电压低很多，则在提取由单元misc记录号提供的单元电压降、电流、焦耳热损耗计算数据时会提示有取消错误。

要获得更准确的结果，需要通过提取单元的反力来获得单元电流，并根据二极管状态和I-U曲线重新计算电压。

·可以在后处理器中画二极管的能量和状态图

·若AUTOTS打开，则按照标准的ANSYS自动时间步长功能来确定求解时间步长。

程序根据动态系统的特征值来估计时间步长。

当状态变化方向是按照预期估计的方向进行，则单元会发出调小时间步的信号，与接触单元间隙闭合类似。

·CIRCU125单元是高度非线性单元。

要获得收敛结果，通常需要定义收敛标准，而不是仅用缺省值。

用CNVTOL,VOLT,,0.001,2,1.0E-6来改变收敛标准。

16.4 使用电路建模程序

对于所有电路分析，首先需要用CIRCU124,CIRCU125,TRANS126,COMBIN14,COMBIN39,和MASS21单元来建立电路模型。

建立电路模型的首选是使用ANSYS的电路建模程序，这是一个通过ANSYS图形用户界面（GUI）提供交互式处理的专用模块，它可以完成如下功能：

·可以用鼠标来选择电路元件并把它们放置在电路中所要求的位置

·交互式建立电路模型

·给电路元件赋予“实”常数并进行编辑

·给独立源赋予激励

·以图形的方式验证所加激励

·以交互的方式来和FEA区进行连接

·可对电压源和电流源元件定义源载荷

电路建模程序可生成单元类型、实常数、定义节点和单元。

支持多种单元类型。

和使用其他GUI特性一样，电路建模程序把用于建立电路模型的全部命令都写入记录文件（LOG文件）。

GUI提供专用的“wireelement”选项。

可以方便的用“wire”连接各个电路。

Wire表示连接两点间的一小段短电路（导电率无穷大）。

MESH200单元只用来进行可视化的表示。

Wire两端的节点要进行电压耦合（CP命令），如果两段或更多段Wire连接在一起，则所有的节点都要进行电压耦合。

删除其中的一段，则所有连接在一起的Wire单元、节点耦合集以及所有没有与非“Wire”单元连接的节点都要被自动强行删除。

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16.4.1 建立电路

为了建立电路，应激活ANSYS的GUI和使用下面描述的步骤。

在此也给出有关电路建模的补充提示：

∙电路图标都是固定尺寸，通过电路建模程序的“CenterWP”选项可以设置图形的焦点和距离（MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Circuit>CenterWP）。

·对电路图标进行放缩或者改变电路布线的宽度，使用电路建模程序的"ScaleIcon"选项（MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Circuit>ScaleIcon.）。

∙可以考虑显示两个窗口：

一个是电路，另一个为所建模型

∙记住要将电路中的一个节点接地（通过GUI：

MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-　Apply>-Electric-Boundary>-Voltage-OnNodes，或者用D命令）。

建模步骤如下：

1．点取菜单路径MainMenu>Preferences，选项对话框出现。

2．如果打算做电路电磁耦合分析，选取“Electromagnetic”。

如果仅仅只做电路分析，则选取“Electric”。

3．点取UtilityMenu>File>ChangeJobname.对话框出现，为你的分析定义工作名，然后单击OK按钮。

4．点取UtilityMenu>File>ChangeTitle，在对话框内为你的分析规定一个标题名，然后单击OK。

5．点取MainMenu>Preprocessor>Create>Circuit，出现电路建模菜单。

6．如果需要把电路的放置远离目前的有限元模型（例如耦合电磁—电路分析），则在实用命令菜单中，使用工作平面（WorkPlane）选项，把工作平面原点移动到要开始建立电路模型的位置（否则，则跳过此步）。

电路的位置可以是任意的，且不影响分析结果。

为了方便起见，可使用MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Circuit>CenterWP来使工作平面原点处于图形窗口的中心。

7．从电路建模菜单中选择所需电路元件且遵照ANSYS输入窗口中的提示来建立模型。

通常是先用鼠标确定单元的I和J节点的位置，然后选取I—J线的一个偏置位置来为电路元件定位。

每种电路单元的长度和相对于其他电路单元位置可以是任意的，且不影响分析结果。

一旦已定义好全部所需位置，将弹出一个对话框，要求输入ID号（单元号）和实常数。

如果单元的图标尺寸太小，或电线太细，可通过MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Circuit>ScaleIcon来调整图标显示

8．建立好电路后，如果必要的话，可以验证和修改数据。

PlotWaveform菜单用于绘图和验证输入负载的波形。

另一个菜单，EditRealCnst，用于校核和修改任何电路元件的实常数。

删除特定的电路元件的方式是MainMenu>Preprocessor>Delete。

电路建模程序是建立电路模型的最方便的方法，也可以不用该程序，通过直接定义节点、单元类型、单元和实常数来建立模型。

一旦你建好电路，你可以进行静态、谐波或瞬态分析（源项确定了分析类型）

16.5 避免电路不合理

应该避免建立不合理电路，下面叙述不合理电路的情况：

16.5.1DC（直流）和谐波分析

16.5.1.1电压源不要构成一个回路

在图3中，根据Kirchoff（克希荷夫）回路方程，节点1

和2之间电压会是多少？

V1和V2不相等，电势不合理。

注意到在右图中电压发生器形成一个回路，即使电压V1和V2一致，也会导致数值求解错误。

图4图5是更复杂的不合理电路：

16.5.1.2电流源不要形成短路

在左下图6中，检查节点1的Kirchoff（克希荷夫）节点方程，怎么平衡？

如果I1≠I2，则平衡不为零，电流不合理。

即使I1＝I2，数值求解也会错误。

右下图7所示的电路更为复杂。

这里，电流源没有公共节点，但在图中所示的“超节点”上合乎Kirchoff节点定律。

“超节点”称为短路。

不能形成短路，即，不允许建立只有流入电流的超节点。

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16.5.2 瞬态分析

16.5.2.1电容和电压源不要形成回路

在瞬态分析中，当t=0时，电容就相当于一个电压源，其电压为电容的起始电压，如右图图8所示。

在右下图9中，当开关刚闭合时，左侧电路的起始电流分布能用右侧的等效电路来计算。

这是一个不合理电路（会产生无穷大电流），因为电压源成了回路，不满足DC/AC电路中电压源不能形成回路的要求。

16.5.2.2 电感和电流源不应短路

在瞬态分析中，当t=0时，一个电感就相当于是一个电流源，其电流为赋予的初始电流，如下面图10所示。

在图11中，当开关刚闭合时，左侧电