最新ANSYS电磁场分析指南第七章3D谐波磁场分析棱边单元法.docx
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最新ANSYS电磁场分析指南第七章3D谐波磁场分析棱边单元法
ANSYS电磁场分析指南第七章3-D谐波磁场分析棱边单元法
第七章3-D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,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:
μr(MURX)
空气
自由度:
AZ
材料性质:
μr(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,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。
7.23-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/TITLE
GUI:
UtilityMenu>File>ChangeJobname
UtilityMenu>File>ChangeTitle
3.进入ANSYS前处理器
命令:
/PREP7
GUI:
MainMenu>Preprocessor
4.选择SOLID117单元
命令:
ET,,solid117
GUI:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
5.选择SOLID117单元选项
对导电区用AZ-VOLT自由度,对不导电区用AZ自由度.
命令:
KEYOPT
GUI:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
6.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:
VATT
GUI:
Mainmenu>Preprocessor>-Attributes-Define
9.划分网格(用Mapped网格)
命令:
VMESH
GUI:
MainMenu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Volumes-Mapped
10.进入求解器
命令:
/SOLU
GUI:
MainMenu>Solution
11.给模型边界加磁力线平行和磁力线垂直边界条件
命令:
DA
GUI:
MainMenu>Solution>-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,js
GUI:
MainMenu>Solution>-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,,amps
GUI:
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Electric-Excitation>-Impressed
Current->OnNodes
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,new
GUI:
MainMenu>Solution>NewAnalysis>Harmonic
命令:
HARFRQ
GUI:
MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>FreqandSubstps.
14.选择求解器(推荐使用Frontal或ICCG求解器)
命令:
EQSLV
GUI:
Mainmenu>Solution>AnalysisOptions
15.选择载荷步选项
16.求解
命令:
SOLVE(设置OPT域为0)
GUI:
MainMenu>Solution>-Solve-CurrentLS
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:
GAUGE
GVI:
MainMenu >Solution>LoadStepOpts–magnetics>–OptionsOnly–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:
FINISH
GUI:
MainMenu>Finish
18.按照如下过程进行后处理
7.3观察结果
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,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,/POST26
GUI:
MainMenu>GeneralPostproc
MainMenu>TimeHistPostpro
7.3.1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,,0
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ResultsSummary
选择虚部解
SET,1,1,,1
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ResultsSummary
列出边通量自由度AZ5
PRNSOL,AZ
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolution
列出时间积分电势(VOLT)5
PRNSOL,VOLT
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolution
列出角节点处的磁通量密度1、5
PRVECT,B
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>VectorData
列出角节点处的磁场强度1、5
PRVECT,H
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>VectorData
列出单元形心处总电流密度5
PRVECT,JT
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>VectorData
列出角节点处的力2、6
PRVECT,FMAG
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>VectorData
列出单元节点上的边通量密度5
PRESOL,B
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>VectorData
列出单元节点上的磁场强度5
PRESOL,H
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>VectorData
列出单元形心处的总电流密度5
PRESOL,JT
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>VectorData
列出单元节点力2、6
PRESOL,FMAG
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>VectorData
列出磁能3、5
PRESOL,SENE
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>VectorData
列出焦耳热密度4、6
PRESOL,JHEAT
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>VectorData
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,X
MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable
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,X
MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable
创建焦耳热密度的单元表4、6
ETABLE,LAB,JHEAT
MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable
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,X
MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable
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,X
MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable
创建单元贮存磁能的单元表3
ETABLE,LAB,SENE
MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable
列出选定的单元表项
PRETAB,LAB,1,…
Main Menu>GeneralPostproc>ListResults>ElemTableData
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ωt=0和ωt=-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:
PRNSOL
PLNSOL
UtilityMenu>Plot>Results>ContourPlot>NodalSolution
PRVECT
PLVECT
UtilityMenu>Plot>Results>VectorPlot
PRESOL
PLESOL
UtilityMenu>Plot>Results>ContourPlot>ElemSolution
PRETAB
PLETAB
UtilityMenu>Plot>Results>ContourPlot>ElemTableData
还可以画出单元表的各个项目。
参见《ANSYS基本过程手册》。
《ANSYSAPDL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:
SET
GUI:
UtilityMenu>List>Results>LoadStepSummary
求实部和虚部的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:
PLNSOL
PLESOL
GUI:
UtilityMenu>Plot>Results>ContourPlot>ElemSolution
UtilityMenu>Plot>Results>ContourPlot>NodalSolution
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,2
GUI:
MainMenu>GeneralPostproc>OptionsforOutp
7.3.2.2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,NSORT
GUI:
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>SortNodes
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>SortElems
然后再进行列表显示:
命令:
PRESOL,PRNSOL,PRRSOL
GUI:
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ElementSolution
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolution
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolu
7.3.2.3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,...!
Selectelementstocalculateforce
set,1,1!
Storerealsolution
etable,fxr,fmag,x!
Storerealpartofrmsforces
etable,fyr,fmag,y
etable,fzr,fmag,z
set,1,1,,1!
Storeimaginarysolution
etable,fxi,fmag,x!
Storeimaginarypartofrmsforces
etable,fyi,fmag,y
etable,fzi,fmag,z
sadd,fxrms,fxr,fxi!
Calculatetime-averagecomponents
sadd,fyrms,fyr,fyi
sadd,fzrms,fzr,fzi
ssum!
Sumoverallselectedelements
*get,fxrms,ssum,,item,fxrms!
Retrieveforcesasscalarparameters
*get,fyrms,ssum,,item,fyrms
*get,fzrms,ssum,,item,fzrms
7.4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=0.3m
mr=1.00
i=2236Ð26.57
=2000+j1000amps(K)
d=0.1m
r=1E-8W·m
W=0.01m
Freq=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, harmonicanalysisdemoofmagneticedgeelement
/COM
/NOPR
!
!
***Definemodelparameters
!
l=0.3!
length
d=0.1!
depth
w=0.01!
width
mur=1!
relativemagneticpermeability
rho=1.0e-8!
electricresistivity(requiredforJouleloss)
fr=3!
rotorfrequencyat5%slip
curr=2000.0!
currentreal
curi=1000.0!
currentimaginary
n=20!
meshingparameter
pi=3.1415926
mu0=pi*4.0e-7!
freespacepermeability
!
!
***createmodel
!
/prep7!
enterpreprocessor
!
ET,1,117,1!
Elementtype #1,isamagneticedgeelement,117.
!
Notetheretheis a1inthenextcommandslot.
!
Thisisa keyoption.Keyoptionsareusedto
!
modify/describefeaturesofthedefaultelement.
!
Thedefault edgeelementhasonlyedgeflux,AZ,
!
degreesof freedom,DOFs,supportedbythesidenodes.
!
Aharmonic analysisrequirestheVOLTDOFsatthe
!
cornernodes.Thisis selectedbyturningonkeyoption1.
!
Ingeneralthere canbemanykeyoptionsfora
!
particularelement.Incaseofelement117,
!
keyoption 5canbeusedforprint-outcontrol.
!
MP,MURX,1,mur!
Definerelativepermeabilityofmaterial#1
MP,RSVX,1,rho!
Defineelectricresistivityofmaterial#1.
!
BLOCK,0,d,0,w,0,l!
Definerectangularblock(brick)volumeregion,
!
LSEL,S,LOC,X,d/2!
Select linestospecifythenumberofelements
LESIZE,ALL,,,n!
Dividethe linesalongtheslotdepthformeshing
LSEL,ALL!
Selectalllines.x
ESIZE,,1!
Subdividedunmeshedlinesinto1part
!
VMESH,ALL!
Meshsolidvolume
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