工程电磁场实验报告.docx
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工程电磁场实验报告
工程电磁场仿真实验
报告
叠钢片涡流损耗Maxwell2D仿真分析
(实验小组成员:
文玉徐晨波葛晨阳郭鹏程栋)
Maxwell仿真分析
—二维轴向磁场涡流分析源的处理
在学习了Anso什公司开发的软件Maxwell后,对工程电磁场有了进一步的了解,这一软件的应用之广非我们所想象。
本次实验只是利用了其中很小的一部分功能,涡流损耗分析。
通过软件仿真、作图,并与理论值相比较,得出我们需要的实验结果。
在交流变压器和驱动器中,畳片钢的功率损耗非常重。
大多数扼流线圈通常使用■片,以减少涡流损耗,但这种损耗仍然很大。
特别是在高频情况下,交变设备由脉宽调制波形所产生的涡流损耗不仅降低了设备的整体性能,也产生了热,因此做这方面的分析十分有必要。
一、实验目的
1)认识钢的涡流效应的损耗,以及减少涡流的方法;
2)学习涡流损耗的计算方法;
3)学习用MAXWELL2D计算■片钢的涡流。
二、实验模型
实验模型是4片叠钢片组成,每一篇載面的长和宽分别是12.7mm和0.356mm,两片中间的距离为&12um,畳片钢的电导率为2.08e6S/m,相对磁导率为2000,作用在磁钢表面的夕卜磁场H=397.77A/m,即BZ=1TO考虑到模型对X,Y轴具有对称性,可以只计算第一象限的模型。
三、实验步骤
1.单个钢片的涡流损耗分析
1、建立模型,因为是单个钢片的涡流分析,故位重无所谓,就放在中间,
然后设賣边界为397.77A/m,然后设賣频率,进行求解。
2、进行数据处理,算岀理论值,并进行比较。
二、■钢片涡流损耗分析
1、依照模型建立起第一象限的模型,将模型的原点与坐标轴的原点重合,这样做起来比较方便。
设賣钢片的材质,使之符合实际要求。
然后设■边界条件和源,本实验的源为一恒定磁场,分别制定在上界和右边界,然后考虑到对偶性,将左边界和下界设■为对偶。
然后设■求解参数,因为本实验是要进行不同的频率下,涡流损耗的分析,所以设定好Frequency后,进行求解。
2、将Frequency分别设賈为1Hz、60Hz、360Hz、1KHz、2KHz、5KHz、lOKHz,进行求解,注意每次求解时,要将StartingMesh设定为Initial,表示重新开始计算求解。
记录下不同频率下的偶流损耗值和最低磁通密度Bmin.
3、进行数据处理,把实验所得数据和理论值进行比较。
得出实验结论。
四、仿真图样
叠钢片涡流分析
1、f二1HZ时
3.9777-HJD2
3.9?
?
7cK)02
3.9777.H3O2
3.9777GK3D2
3.9H7e*002
3.9777«*OQ2
3.9777eH3D2
3.97?
7e400Z
3.O777.KJO2
3.9777OH3D2
2、f=60HZ时
P=6.95632e-003w
3、f=360HZ时
3
3
3
3
""•♦00297316*0029G94e*OO2gt3a.*oo2
9392e*OO2
9545e<02
9499e*002□453e*OO294020029360屮002
3.9314«*002
BUt/nnJ
4、f二lkHZ时
P=1.64837e+OOOW
3・9777・♦002
3.945Ge*002
3.9135屮0023.8814.*0023・8493e・OOZ3.8172e*0023-7851.*0023.753Oe*OOZ3.7209e-M»23•强如■•823.6567e*OQZ
5、f=2kHZ时
3.9777.*002
3.991(e40023•兀S4十00Z3.6803«*CXD23.3931e*00Z3.4970c*0023.4OD8-*OO23・3(H7e・OOZ3.209(6*0023.1124.*0023.Q163e*OOZ
6、f二5kHZ时
P=9.56395e+000W
□7770*0027439c*0025102e*OO22764fi*OOZO42?
e*OO28089e*002S7S2.*00234WOOZ107?
e 6402e*OQZ 7、f=10kHZ时 >103*0 "09 >101 乙乙eo 乙"91 1992*0 £940£ 06L6*0 Z9S9£ Ml 1996*0 兄£6£ 09£ >666*0 P9N6£ 09 Z666-0 ZZZ6£ L (1)叫 uiujh (ZH)d °uiuug #U! UJH*(Z-eoL*Htr#000S)=uiujq瞬毋'FR蟄出圍甲巨uiibh roo^oeio-8zoo*36ati-iZOO*«99Efr-l Z0026MCT2 ZDO*»G68£eZ ZOOHOl・2eoo*58frsoweZOO*»>Zr£-£ ZOO*叭099・£? COf6% 五、实验数据 叠钢片的涡流分析 不同频率下的B^n和P F(Hz) Bmln(T) P(W) 1 0.9997 1.92719e-OO6 60 0.9994 6.95632e-003 360 0.9881 2.45084e-001 Ik 0.9190 1・64837e+000 2k 0.7581 4.58856e+000 5k 0.4122 9.56395e+000 10k 0.2014 1.28198e+001 K实验数据与低频下损耗的理论计算公式的比较 低频涡流损耗的计算公式为: p=―刃—V式中,V为畳片体积;t为叠片厚度;B为峰值磁通密度;<7为■片电导率;3为外加磁场角频率。 Maxwell2D所获得的功率损耗値是假定叠片钢在Z方向上具有单位长度dm)时而计算岀来的。 因此,上式中的体积显然需要按以下公式计算: V=12.7x10_3x0.356xlO'3x1=4.5212x10“m3 经计算,可得到频率小于2KHz的各个频率的涡流损耗: 低频功率损耗值计算结果与实验值的比较 F(Hz) B仙(T) P(W)[理论] P(W)[实验] 1 0.9997 1.9605e-006 1.92719e-006 60 0.9994 7.0578e-003 6.95632e-003 360 0.9881 2.5408e-001 2.45084e-001 Ik 0.9190 1.9605e+000 1,64837e+000 2k 0.7581 7.8420e+000 4.58856e+000 5k 0.4122 4.9012e+001 9.56395e+000 10k 0.2014 1.9605e+002 1.28198e+001 经比较发现,在频率小于2K时,实验结果和理论值比较吻合,而当频率大于2KHZ时,误差就很大了,说明原来的理论计算公式已不再适用,应使用高频我流损耗公式计算。 2、实验结果和高频损耗计算公式的比较 射频工程师使用的损耗计算公弍不同于电气工程师,其原因在于射频工程师遇到的频率往往较高。 射频工程师使用的公式是暇定金属的趋肤深度述小于金辦度齡i下得到的, 其计算公式为 (5.14) 式中,5为叠片表面积;乩为施场强度切线分量;。 为叠片电导率;“为叠片相対磁导率;血为外加磁场角频率;R$为单位表面积叠片的阻抗;d为趋肤深度。 左10kHz、趋肤深度<5二 公式(5」4)的使用条件为频率大于等于10kHz,趋趺深度远远小于叠片序度。 当 =7.8032x1沪山时,显然满足公式适用条件。 单位表面积聲 片的阻抗&二丄=6.1612X10^0&T 这里要注意S的计算,叠片钢与磁场强度勺相切的面共有4个,故总的表面积S= 2x(12.7xl0-3xl+0.356xl0_3xl)=2.6112xl0_3m\ 进而可得P=12.727WO 式中,S为畳片表面积;为磁场强度切向分量;为畳片电导率;为畳片相对 磁导率;为外加磁场角频率;为单位表面积畳片的阻抗;为趋肤深度。 此公式适用于频率大于10KHZ的悄况,为了进行对比,也利用此公式计算2KHZ和5KHZ的情况。 高频数值功率损耗值计算结果与实验值的比较 F(Hz) Bmm(T) 2k 0.7581 5k 0.4122 10k 0.2014 P(W)[理论] P(W)[实验] 5.6918 4.58864 9.0000 9.56393 12.7270 12.8196 3实验误差与结果分析 功率损耗值相对误差表格 F(Hz) P 1 1.67% 60 1.44% 360 3.54% 1K 15.92% 2K 41.5%(低)19.4%(高) 5K 80.5%(低)6.3%(高) 10K 93.46%(低)0.73% (高) 经过对比发现,在IkHz以下频率,仿真结杲与低频损耗计算结果吻合较好;在频率(大于)等于5kHz时,仿真结果与高频损耗计算结果吻合也较好。 并且,频率较低和频率较高时相对于中间值的频率而言,他们的相对误差也更低。 频率越高时功率损耗也越大。 六、实验总结 Maxwell2D是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件,一般在电磁物体满足轴向均匀或RZ对称的条件下采用。 它采用图形化的设计界面,可以直观、快捷地进行电磁场的仿真。 Maxwell2D通常适合处理二维交流磁场、二维直流磁场、二维静电场、二维瞬态场、二维等效电路发生器、二维参数分析等等。 不仅如此,它具有强大的后处理能力,在仿真结束之后,还可以通过后处理工具对得到的数据进行多种分析。 通过此次实验,我初步了解、掌握使用Ansoft公司出产的Maxwell2D软件的基本操作以及使用方法,独立并完整地进行了实验“畳片钢涡流损耗分析”,并撰写此试验报告。 我认为基于Maxwell2D软件,能够解决电磁场领域的一些基本问题,且对于日后电气工程及其自动化专业的递进学习興有相当的意义。 Maxwell2D软件的界面形式非常简单,且操作步骤相对固定: ①建立几何模型;②指定材料属性;③指定边界条件;④求解条件。 而Maxwell2D强大的后处理功能不仅能直观的显示场量的分布,还能相关变量的函数关系,更能进行关键系统的分析。 这表明Maxwell2D软件具有合理的实验性以及高度的工程模拟性。 在今后《工程电磁场》的模拟和实验中,不仅需要认真操作,更应理性思考实验背后隐含的数据关系和实验原理,只有对实验进行深刻的分析才能得到更有意义的结论。 经过本次试验是我对于Maxwell软件的应用更加熟悉对于仿真的操作步骤及过程有了更深的认识,并且通过实验的容使我对于涡流和涡流损耗有了一些了解,同时在实验过程中对工程电磁场学科产生了一些热情,觉得本门课程深奥和有趣,同时也感谢指导老师在实验中的指导,谢谢您。
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