ANSYS电磁场分析指南第一章磁场分析概述

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，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，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PLANE532-D磁实体矢量8四边形AZ；AZ-VOLT；AZ-CURR；AZ-CURR-EMFSOURC363-D电流源3无无自由度，线圈、杆、弧型基元SOLID963-D磁实体标量8砖形MAG (简化、差分、通用标势)SOLID973-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)-VOLTHF1193-D高频棱边单元10四面体AX(棱边)HF1203-D高频棱边单元20砖型AX(棱边)CIRCU1241-D电路8线段VOLT、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10TetVOLTSOLID1283-D静电实体20BrickVOLTINFIN92-D无限边界2线段AZ-TEMPINFIN1102-D无限实体8四边形AZ、VOLT、TEMPINFIN473-D无限边界4四边形MAG、TEMPINFIN1113-D无限实体20砖型MAG、AX、AY、AZ、VOLT、TEMPPLANE672-D热电实体4四边形TEMP-VOLTLINK683-D热电杆2线段TEMP-VOLTSOLID693-D热电实体8砖型TEMP-VOLTSHELL1573-D热电壳4四边形TEMP-VOLTPLANE132-D耦合实体4四边形UX、UY、TEMP、AZ；UX-UY-VOLTSOLID53-D耦合实体8砖型UX-UY-UZ-TEMP-VOLT-MAG；TEMP-VOLT-MAG；UX-UY-UZ；TEMP、VOLT/MAGSOLID623-D磁结构8砖型UX-UY-UZ-AX-AY-AZ-VOLTSOLID983-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，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节点或三角形，3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。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INFIN92-D线型，2节点磁矢势(AZ)INFIN1102-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。（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 actuator 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：MUr (MURX), rho (RSVX) (如要计算焦耳热)铁DOF: AZ材料特性：MUr(MURX)或B-H曲线(TB命令)永磁体DOF: AZ材料特性：MUr (MURX)或B-H曲线(TB命令)，Hc(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：MUr(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：MUr (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：MUr (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KEYOPT（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-DefineDefault 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0410-7H/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_MPLIron 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/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 MenuPreprocessorLoads-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 Library2.3.1.6.2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 PropsMaterialModels 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 MenuPreprocessorMaterial 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 ModelsElectromagneticsBH 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: 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 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 Number）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 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! 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。LENGZ-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-Other-Vector Poten-Curr Density-Comp. Force-Curr Segment-On KeypointsOn Keypoints-Infinite Surf-On KeypointsOn NodesOn NodesOn LinesOn Nodes-Flux Parl-On ElementsOn Areas-Maxwell Surf-On LinesVoltage DropOn NodesOn LinesOn NodesOn Areas-Flux Normal-On NodesOn Lines-Virtual Disp-On NodesOn KeypointsPeriodic BCsOn 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值磁力线垂直不需要（自然边界条件，自然满足）磁力线平行说明AZ=0，用D命令或GUI路径Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic-Boundary-Vector Poten-Flux Parl-On Lines or On Nodes远场用远场单元INFIN9（只用于平面分析）和INFIN110周期性用PERBC2D宏在节点上创建奇对称或偶对称周期性边界条件，或用GUI路径Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic-Boundary -Vector Poten-Periodic BCs。外部强加磁场令AZ等于一非零值。用GUI路径Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic-Boundary-Vector Poten-Flux Parl-On Lines/On Nodes磁力线平行边界条件强制磁力线平行于表面。磁力线垂直边界条件强制磁力线垂直于表面，是自然边界条件，自然得到满足。使用远场单元INFIN9和INFIN110来表示模型的无限边界时，无需说明远场为零边界条件。如果模型具有周期性，或者通量的特性具有重复性，可用PERBC2D宏命令来定义周期性边界条件。对于外部强加磁场，直接在合适的区域施加非0的AZ值就行了。2.3.4加励磁载荷2.3.4.1源电流密度(JS)此载荷给源导体加电流，在国际单位制中JS的单位为安培米2。在2-D分析中，只有JS的Z分量是有效的，在平面分析中正值表示电流向+Z方向，在轴对称分析中正值表示电流向-Z 方向。对绞线圈或块导体来说，电流一般是均匀分布的通常直接将源电流密度载荷加给单元。命令：BFEGUI: Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic-Excitation-Curr Density-On Elements详细情况参见ANSYS命令手册。同样，也可以用BFA命令把源电流密度施加到实体模型上。用BFTRAN或SBCTRAN命令，把施加到实体模型上的源电流密度转换到有限元单元模型上。2.3.4.2电压降(VLTG)此载荷给绞线圈加电压降，只能用MKS单位制。只有对使用了AZ和CURR自由度的PLANE53单元（参见PLANE53单元的KEYOPT(1)选项）才能使用电压降（VLTG）载荷。电压降可使用BFE命令加在单元上，也可以用BFA命令加在实体模型的某些面上。用BFTRAN或SBCTRAN命令，把施加到实体模型上的电压降（VLTG）载荷转换到有限元单元模型上。因为CURR表示线圈每匝的电流，而线圈中的电流值是唯一的，所以加载前必须将线圈所有节点的CURR自由度耦合起来（否则将导致求解错误）。用下列方式进行：命令：CPGUI:Main MenuPreprocessorCoupling/CeqnCouple DOFs2.3.5 施加标志2.3.5.1 力标志用FMAGBC宏对需要进行力和力矩计算的部件施加标志，该宏自动施加虚位移和Maxwell面标志（后面介绍）。建模时，在需要进行力和力矩计算的部件周围，至少要包围一层空气单元。对需要进行力和位移计算的部件的单元命名为一个元件 (Component)，再按下列方式使用FMAGBC宏：命令：FMAGBC,CnamGUI：Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic-FlagComp. Force/Torq在后处理器中使用FMAGBC和TORQSUM宏命令，就可以列出力和力矩的结果。2.3.5.2 无限表面标志(INF)这不算真实意义的加载，是有限元方法计算开域问题时，加给无限元（代表物理模型最边缘的单元）的标志。2.3.6 其他加载2.3.6.1 电流段(CSGX)该载荷是一种节点电流载荷，不常使用。在轴对称分析中的电流段为2pr*电流。在MKS单位制中电流段的单位是安培米。电流方向沿Z方向，与自由度AZ保持一致。比如，可以用多个电流段表示一个片状电流。关于在节点上分布式加载的详细讨论参见ANSYS建模与分网指南。2.3.6.2 Maxwell面(MXWF)Maxwell面不是真正意义上的载荷，它只是表明在这个表面要进行磁场力分布的计算。在flag选项中选择MXWF就行了。通常，把Maxwell面标志施加在邻近分界面的空气单元上。ANSYS用Maxwell应力张量方法计算铁区空气分界面上的力，并将结果存储到这些空气单元中。在POST1后处理器中对它们求和，可以得到作用到该部分上的合力，并可将这些分布力转换到后续的结构分析中。可以同时定义多个元件，但这些元件不能共用空气单元。(比如在两个部件间只建了一层单元，就会发生共用。)2.3.6.3 磁虚位移(MVDI)磁虚位移标志也不是真正意义上的载荷，它只表示给模型中要计算力的部件施加标志。和Maxwell面的作用相同，只不过用的是虚功方法。在感兴趣区的所有节点上说明MVDI=1.0，在邻近的空气区节点上说明MVDI=0.0(缺省设置)。也可以说明MVDI1.0，但是通常不用。计算得到的力结果就贮存在邻近的空气单元中。邻近的感兴趣区域的空气单元带最好是等厚度的。在POST1中，可以将每个空气单元中的力进行求和以得到合力。2.3.7 求解下面描述进行2-D静态磁场分析求解的基本过程。2.3.8 定义分析类型在定义分析类型和分析将用的方程求解器前，要先进入SOULUTION求解器。命令：/SOLUGUI:Main MenuSolution说明分析类型，用下列方式：GUI：选择Main MenuSolutionNew Analysis并选择 static 。如果是新的分析，使用命令ANTYPE，STATIC,NEW.如果是需要重启动一个分析（重启动一个未收敛的求解过程，或者施加了另外的激励），使用命令ANTYPE,STATIC,REST。如果先前分析的结果文件Jobname.EMAT, Jobname.ESAV, 和Jobname.DB还可用，就可以重启动2-D静态磁场分析。2.3.9定义分析选项你可选择下列任何一种求解器：Sparse solverFrontal solver (缺省值)Jacobi Conjugate Gradient (JCG) solverJCG out-of-memory solverIncomplete Cholesky Conjugate Gradient (ICCG) solverPreconditioned Conjugate Gradient solver (PCG) PCG out-of-memory solver用下列方式选择求解器：命令：EQSLVGUI:Main MenuSolutionAnalysis Options对于2D模型，推荐用Sparse solver和Frontal solver求解器。对于非常大的模型，JCG或PCG求解器可能会更有效。载压模型或包括了速度效应的模型会产生不对称矩阵，只能用Sparse 、Frontal 或ICCG求解器求解。载流模型只能用Sparse 或Frontal求解器。要计算微分自感矩阵和连接所有线圈的总通量(LMATRIX)，只能用frontal求解器。2.3.10 备份数据库用工具条中的SAVE_DB按钮来备份数据库，如果计算机出错，可以方便地恢复需要的模型数据。恢复模型时，重新进入ANSYS，用下面的命令：命令：RESUMEGUI:Utility MenuFileResume Jobname.db2.3.11 开始求解对于非线性分析，采用二步顺序求解：1在前面3到5子载荷步内让载荷斜坡变化，每一子步只有一个平衡迭代。2计算最后解一个子步，有5到10次平衡迭代。用下面方式定义：命令：MAGSOLV(OPT域设为0)GUI:Main MenuSolutionElectromagnetOpt&Solv也可手动分布设置求解，详细参见17章“其他分析选项和求解方法”。2.3.12 收敛图形跟踪进行非线性电磁分析时，ANSYS在每次平衡迭代都计算收敛范数，并与相应的收敛标准比较。求解时，在批处理和交互式方式中，图形求解跟踪（GST）特性都要显示计算的收敛范数和收敛标准。在交互式时，缺省为图形求解跟踪（GST）打开，批处理运行时，为GST关闭。用下列方法之一，GST可打开或关闭：命令：/GSTGUI： Main Menu Solution Output Ctrls Grph Solu Track图7是一个典型的GST图形。2.3.13 完成求解命令：FINISHGUI:Main MenuFinish2.3.14 计算电感矩阵和总的磁链对于由多个线圈构成的多线圈系统，用LMATRIX宏可计算系统的差分电感矩阵和每个线圈中的总磁链。方式如下：命令：LMATRIXGUI：Main MenuSolutionElectromagnet-Static Analysis-Induct Matrix计算多线圈系统的微分电感矩阵和每个线圈中的总磁链需要多个处理步骤。首先应对线圈单元指定部件名，定义名义电流，然后用Frontal求解器对一工作点进行名义求解，详见第11章“磁宏”和ANSYS理论手册。2.3.15 观察结果ANSYS和ANSYS/Emag程序将计算结果贮存到结果文件Jobname.RMG中去，其中包括：2.3.15.1主数据：节点自由度(AZ,CURR)2.3.15.2导出数据：节点磁通密度(BX,BY,BSUM)节点磁场强度(HX,HY,HSUM)节点磁力(FMAG,分量X,Y,SUM)节点感生电流段(CSGZ)单元源电流密度(JSZ)单元速度电流密度(JVZ)单位体积内的焦耳热(JHEAT)等等每种单元都有其特定的输出数据，详见ANSYS单元手册中。可在通用后处理器中观看处理结果。命令：/POST1GUI:Main MenuGeneral Postproc下面“从结果文件中读入数据”讨论一些静态磁场分析的典型后处理操作。要了解所有后处理操作的描述，请参见ANSYS基本过程指南。2.3.16从结果文件中读入数据若希望在POST1后处理器中查看结果，进行求解后的模型数据库必须存在。同时，结果文件Jobname.RMG也应该存在。方式如下：命令：SETGUI:Utility Me