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1、第四章三维电磁场分析第四章三维电磁场分析指南指南第一页，本课件共有39页4.1-2三维（三维（3D）模拟）模拟在很多情况下，电磁场分析要以三维（在很多情况下，电磁场分析要以三维（3D）方式进行模拟）方式进行模拟 没有完全轴对称的模型没有完全轴对称的模型衔铁上的通气孔衔铁上的通气孔定子定子周期性截面周期性截面 线圈区域线圈区域靠近孔的饱和区靠近孔的饱和区非轴对称非轴对称第二页，本课件共有39页4.1-3三维（三维（3D）模拟）模拟除除Z轴方向外，模型还有其他方向的电流轴方向外，模型还有其他方向的电流不同电流方向的多不同电流方向的多个汇流排个汇流排第三页，本课件共有39页4.1-4三维（三维（3D
2、）模拟）模拟具有平面和轴对称组合部件的模型具有平面和轴对称组合部件的模型衔铁外形复杂衔铁外形复杂平面型定子平面型定子具有确切外形的衔接具有确切外形的衔接和廉价迭片定子的致和廉价迭片定子的致动器动器线圈区域线圈区域第四页，本课件共有39页4.1-5三维（三维（3D）模拟）模拟轴向非均匀的模型轴向非均匀的模型10极永磁电机，建极永磁电机，建立了立了2极模型极模型定子、永磁体和定子、永磁体和转子具有不同轴转子具有不同轴向长度向长度永磁体永磁体转子转子定子定子第五页，本课件共有39页4.1-6正如二维（正如二维（2D）模拟一样，三维模拟功能也包括静态、交流和瞬态分析）模拟一样，三维模拟功能也包括静态、
3、交流和瞬态分析缺省的线性材料为各向同性（只赋予缺省的线性材料为各向同性（只赋予MURX值）值）三维（三维（3D）材料选项包括对于所有三个方向的正交各向异性选项）材料选项包括对于所有三个方向的正交各向异性选项MURn 和和RSVn（n表示表示X、Y、Z三个方向）三个方向）BH磁化曲线能用于磁导率正交各向异性的任一个方向，其余方向为常磁化曲线能用于磁导率正交各向异性的任一个方向，其余方向为常数数在某正交各向异性方向应用在某正交各向异性方向应用BH曲线时，该方向的曲线时，该方向的MURn应设置为零（只应设置为零（只在正交各向异性材料中要求如此）在正交各向异性材料中要求如此）三维单元包括远场边界单元三
4、维单元包括远场边界单元与二维模拟相同，也支持复杂组合的物理区域与二维模拟相同，也支持复杂组合的物理区域交流分析的绞线导体与块导体交流分析的绞线导体与块导体电压与电流供电电压与电流供电复杂铁磁区域复杂铁磁区域第六页，本课件共有39页4.1-7具有模拟三维模型运动的功能具有模拟三维模型运动的功能周期性边界条件周期性边界条件改变线圈电流改变线圈电流不相同网格不相同网格执行动画文件执行动画文件:mach3d.avi观察转子转动画观察转子转动画10极永磁电机，输入极永磁电机，输入正弦电流正弦电流第七页，本课件共有39页4.1-8单元列式直接影响到模拟的各个方面单元列式直接影响到模拟的各个方面施加通量垂直
5、和平行边界条件施加通量垂直和平行边界条件何为自然边界条件？何为自然边界条件？何为自由度约束？何为自由度约束？BH数据对收敛敏感性的影响数据对收敛敏感性的影响-B2 曲线与曲线与-H 曲线曲线模拟激励的方法（绞线圈）模拟激励的方法（绞线圈）可在模型中包含铁磁区可在模型中包含铁磁区模型中的铁磁模型中的铁磁-空气界面空气界面后处理后处理通量计算（电动势（通量计算（电动势（EMF）计算的起始点）计算的起始点）“磁力线磁力线”显示显示 三维模拟使用多种单元列式三维模拟使用多种单元列式第八页，本课件共有39页4.1-9三维（三维（3D）模拟功能包括三种单元列式类型）模拟功能包括三种单元列式类型标量势单元列
6、式（静态标量势单元列式（静态1）SOLID96简化标势法简化标势法(RSP)用于没有线圈的铁用于没有线圈的铁-空气界面模型空气界面模型差分标势法差分标势法(DSP)用于具有单通量路径的铁用于具有单通量路径的铁-空气界面模型空气界面模型通用标势法通用标势法(GSP)用于具有多通量路径的铁用于具有多通量路径的铁-空气界面模型空气界面模型单元边列式（静态、交流、瞬态单元边列式（静态、交流、瞬态)SOLID117包含任意铁磁区域包含任意铁磁区域周期对称模型必须为全模型周期对称模型必须为全模型-不能有耦合不能有耦合磁矢量势磁矢量势 (MVP)列式（静态、交流、瞬态）列式（静态、交流、瞬态）SOLID97
7、无铁磁区域无铁磁区域(1)如果模型中还有矢量势和界面单元如果模型中还有矢量势和界面单元 INTER115，标量法能用于交流和瞬态模拟，标量法能用于交流和瞬态模拟第九页，本课件共有39页4.1-10标量势单元列式标量势单元列式自由度自由度:MAG通量垂直边界条件：通量垂直边界条件：MAG 自由度必须被约束或耦合自由度必须被约束或耦合通量平行边界条件：通量平行边界条件：这是自然边界条件，不要求施加。这种边界条件施加到模型边界这是自然边界条件，不要求施加。这种边界条件施加到模型边界上，不采用约束或耦合。有相应的菜单来施加标量法的通量平行上，不采用约束或耦合。有相应的菜单来施加标量法的通量平行条件，但
8、只是一个注意项而已，无须使用。条件，但只是一个注意项而已，无须使用。分析中分析中BH曲线的使用曲线的使用 必须检查必须检查-H 曲线，保证其是曲线，保证其是“光滑光滑”的的第十页，本课件共有39页4.1-11-H曲线由下面菜单绘制曲线由下面菜单绘制 Utilityplotdata tables曲线上没有波纹，求解曲线上没有波纹，求解收敛性就很好收敛性就很好选择选择 OK第十一页，本课件共有39页4.1-12标量势的激励是基于标量势的激励是基于Biot-Savart 计算的，使用预先定义的线圈形状计算的，使用预先定义的线圈形状-sourc36单元。因此，对应于线圈或杆导体的有限元区域不必直接建模
9、（象二维单元。因此，对应于线圈或杆导体的有限元区域不必直接建模（象二维磁矢势分析那样）磁矢势分析那样）sourc36单元的帮助文件中单元的帮助文件中对线圈原型定义对线圈原型定义第十二页，本课件共有39页4.1-13线圈原型常用于某些类型的致动器，线圈原型常用于某些类型的致动器，但多数情况下，该线圈以但多数情况下，该线圈以ARC 型和型和 BAR型相组合构成型相组合构成“跑道跑道”形线圈形线圈 本章后面对此有详细描述本章后面对此有详细描述 ARC型型 构成跑道形线圈构成跑道形线圈转角转角BAR型构成跑道形线圈型构成跑道形线圈 直边直边第十三页，本课件共有39页4.1-14 sourc36单元定义
10、单元定义 它们不要求连接成连续单元它们不要求连接成连续单元三个节点用于定义线圈原型的取向和一个特征长度三个节点用于定义线圈原型的取向和一个特征长度在单元实常数中定义导体厚度和电流（安匝数），模型中所用厚度相应在单元实常数中定义导体厚度和电流（安匝数），模型中所用厚度相应于导线位置而不是绝缘厚度于导线位置而不是绝缘厚度电流流向电流流向对于图示线圈：对于图示线圈：线圈长度线圈长度:.05 m厚度厚度.02 m线圈中间点半径线圈中间点半径.10 m取向取向:沿沿+Z安匝数安匝数:1,500第十四页，本课件共有39页4.1-15单元的节点：单元的节点：节点节点K 处于线圈中心位置即节点处于线圈中心位置
11、即节点1(0,0,0)节点节点I处于线圈中间半径位置即节点处于线圈中间半径位置即节点2(0.1,0,0)节点节点J决定了线圈取向的定义，即节决定了线圈取向的定义，即节点点3(0,0.1,0)生成单元前需要定义生成单元前需要定义sourc36单元，该单元单元，该单元无单元类型选项无单元类型选项 Preproc.element typeadd/edit/delete ADD线圈实例线圈实例Node JNode INode K箭头方向定义电源取向（右手箭头方向定义电源取向（右手定则定则第十五页，本课件共有39页4.1-16单元实常数设置号应该是唯一的，或其它相同线圈一致。实常数应在生单元实常数设置号
12、应该是唯一的，或其它相同线圈一致。实常数应在生成单元前定义。成单元前定义。Preprocreal constants选择选择 ADD选择选择 sourc36单元类型单元类型.选择选择 OK第十六页，本课件共有39页4.1-17完成线圈定义完成线圈定义选择选择 sourc36 原型原型必须为与单元相对必须为与单元相对应的实常数应的实常数安匝数，方向由前面幻灯片中的红箭头所示安匝数，方向由前面幻灯片中的红箭头所示线圈厚度线圈厚度线圈轴向长度线圈轴向长度DY、DZ的单位制要与模型一致的单位制要与模型一致选择选择 OK第十七页，本课件共有39页4.1-18先生成单元前，要设置单元属性先生成单元前，要设
13、置单元属性 Preproccreateelementselem attributes 单元类型单元类型实常数（如前面幻灯片所定义的）实常数（如前面幻灯片所定义的）人工生成单元（不用自动生成网格）人工生成单元（不用自动生成网格）Preproccreateelements-auto numbered-thru nodes(顺次选取节点顺次选取节点2,3 和和1）如果要根据实常数中设置的尺寸来显示线圈图形，则图形设置必须变更。如果要根据实常数中设置的尺寸来显示线圈图形，则图形设置必须变更。Utilityplotctrlsstylesize and shape选择选择 OK第十八页，本课件共有39页4
14、.1-19在某些情况下，要求将在某些情况下，要求将“增强图形增强图形”方式转换为方式转换为“全图形全图形”方式方式Utilityplotctrlsstylehidden line options箭头长度由绘图控制选项控制箭头长度由绘图控制选项控制PlotCtrlsstylevector arrow scaling注：在标准工具栏中可直接设置注：在标准工具栏中可直接设置“增强图形增强图形”（将其关闭）（将其关闭）第十九页，本课件共有39页4.1-20利用改变实常数数据可改变线圈特征利用改变实常数数据可改变线圈特征 Preprocreal constants 选择选择EDIT (初始生成的设置）初
15、始生成的设置）将将0.05改为改为0.1选择选择 OK第二十页，本课件共有39页4.1-21应建完整的线圈组模型应建完整的线圈组模型实际上有例外实际上有例外线圈远离铁芯区域，对铁芯内磁线圈远离铁芯区域，对铁芯内磁场产生不重要的影响场产生不重要的影响模型中只建立了模型中只建立了2个极和个极和 1/2 轴向长度轴向长度第二十一页，本课件共有39页4.1-22标量列式包括三种型式的标量势，每一种适用于特定的物理区域。标量列式包括三种型式的标量势，每一种适用于特定的物理区域。可以采用简化标量势可以采用简化标量势(RSP)的物理区域有的物理区域有:铁磁区和永磁体铁磁区和永磁体无线圈的铁磁区域无线圈的铁磁
16、区域无铁磁介质的线圈无铁磁介质的线圈第二十二页，本课件共有39页4.1-23RSP优点优点:模拟分析为单步求解模拟分析为单步求解相对于其它标量方式，其计算量最小相对于其它标量方式，其计算量最小RSP缺点缺点:“数值相消数值相消”使使 RSP方法在铁磁模型内不能使用方法在铁磁模型内不能使用sourc36单单元励磁元励磁第二十三页，本课件共有39页4.1-24RSP 方法适用于模拟含有铁空气界面和永磁体的系统方法适用于模拟含有铁空气界面和永磁体的系统分析目的为确定分析目的为确定转矩与转角的关系转矩与转角的关系10极迭片电机的极迭片电机的2极，每极极，每极锥角为锥角为15度度第二十四页，本课件共有3
17、9页4.1-25差分标量势差分标量势(DSP)方法可用于模拟方法可用于模拟:线圈与铁磁介质区相连线圈与铁磁介质区相连永磁体永磁体无铁磁区的线圈无铁磁区的线圈限制：模型几何体必须满足单连通条件。限制：模型几何体必须满足单连通条件。当铁芯磁导率接近于无限大则铁介质中磁场强度接近零时，可确定为单当铁芯磁导率接近于无限大则铁介质中磁场强度接近零时，可确定为单连通（致动器、具有空气隙电机等）连通（致动器、具有空气隙电机等）缺点缺点:求解为二步过程求解为二步过程第二十五页，本课件共有39页4.1-26直线加速器的直线加速器的C形磁体形磁体气隙气隙线圈产生磁场控制带电粒子运动线圈产生磁场控制带电粒子运动带电
18、粒子带电粒子运动运动这是一个当铁芯磁导率变这是一个当铁芯磁导率变得很大时，磁场强度接近得很大时，磁场强度接近零的实例零的实例第二十六页，本课件共有39页4.1-27 DSP 方法适合于模拟含有铁和空气界面以及方法适合于模拟含有铁和空气界面以及sourc36单元电流源的系统，单元电流源的系统，分析目的是确定在指定定子电流形式时转矩与转角的关系分析目的是确定在指定定子电流形式时转矩与转角的关系10极电机的两极模型极电机的两极模型三相电机的绕组截面三相电机的绕组截面第二十七页，本课件共有39页4.1-28通用标势法适用的物理模型通用标势法适用的物理模型:Sourc36单元可与铁磁区相连单元可与铁磁区
19、相连磁体励磁磁体励磁通量条件可以定义通量（通量条件可以定义通量（Webers）可在无铁芯介质的模型采用可在无铁芯介质的模型采用Sourc36单元单元限制：模型几何体必须满足多连通条件限制：模型几何体必须满足多连通条件若当铁介质磁导率为无限大时，铁芯内磁场并不接近零，则可确若当铁介质磁导率为无限大时，铁芯内磁场并不接近零，则可确定为满足多连通条件（变压器、导磁体、具有多通量路径的模型定为满足多连通条件（变压器、导磁体、具有多通量路径的模型等）等）缺点：缺点：要分三步求解要分三步求解第二十八页，本课件共有39页4.1-29闭合磁路电感线圈闭合磁路电感线圈实例：当铁芯磁导率变大时磁场不为零（多连通）
20、实例：当铁芯磁导率变大时磁场不为零（多连通）第二十九页，本课件共有39页4.1-30模拟远场区域的模型有二种远场边界单元模拟远场区域的模型有二种远场边界单元(infin47和和infin111)infin47这是一个这是一个“壳壳”形单元，可用形单元，可用“esurf”生成生成模型外表面不要求设置其它标志模型外表面不要求设置其它标志远场自由空间远场自由空间从帮助（从帮助（Help）查看）查看infin47单元单元第三十页，本课件共有39页4.1-31infin111砖型单元砖型单元本单元比使用本单元比使用infin47更精确更精确单元的外表面要求设置标志单元的外表面要求设置标志Preprocl
21、oadsapplyflags-infinite surface-on areas中间节点适用于具有中间节点的六中间节点适用于具有中间节点的六面体单元（面体单元（solid98)第三十一页，本课件共有39页4.1-32单元边列式是一种最先进的用于模拟三维（单元边列式是一种最先进的用于模拟三维（3D）复杂铁磁模型的）复杂铁磁模型的计算方法计算方法自由度：自由度：AZ (VOLT用于交流或瞬态分析）用于交流或瞬态分析）通量垂直条件通量垂直条件:这是自然边界条件，不要求施加。这种条件加到模型边界，这是自然边界条件，不要求施加。这种条件加到模型边界，不用约束和耦合不用约束和耦合通量平行边界条件通量平行边
22、界条件 AZ 自由度必须加约束自由度必须加约束模拟时使用模拟时使用 BH曲线曲线-B2 曲线必须确认为曲线必须确认为“光滑光滑”中间节点中间节点第三十二页，本课件共有39页4.1-33利用线圈励磁的模型与二维（利用线圈励磁的模型与二维（2D）模拟相似：线圈区域必须为有限元网）模拟相似：线圈区域必须为有限元网格格.电流密度有三个分量电流密度有三个分量JSX,JSY,JSZ这些分量对应于单元坐标轴方向这些分量对应于单元坐标轴方向任意直角坐标系任意直角坐标系任意圆柱坐标系任意圆柱坐标系总体坐标系总体坐标系转角部分需要转角部分需要JSY（局部柱坐标（局部柱坐标系的环向方向）系的环向方向）直段部分用总体
23、坐标系直段部分用总体坐标系线圈区截面线圈区截面第三十三页，本课件共有39页4.1-34 3D MVP 列式列式自由度：自由度：AX、AY、AZ (VOLT用于交流或瞬态分析）用于交流或瞬态分析）通量垂直边界条件通量垂直边界条件:这是自然边界条件，但是，垂直于边界的这是自然边界条件，但是，垂直于边界的A分量必须设为零分量必须设为零X-Y 平面平面,AZ 必须约束为零必须约束为零X-Z平面平面,AY必须约束为零必须约束为零Y-Z平面平面,AX必须约束为零必须约束为零第三十四页，本课件共有39页4.1-35通量平行边界条件通量平行边界条件模型平面内的模型平面内的A分量必须设置为零分量必须设置为零X-
24、Y平面平面,AX和和AY 必须约束为零必须约束为零X-Z平面平面,AX和和AZ必须约束为零必须约束为零Y-Z平面平面,AY和和AZ必须约束为零必须约束为零第三十五页，本课件共有39页4.1-36三维应用三维应用第三十六页，本课件共有39页4.1-37三维应用三维应用第三十七页，本课件共有39页4.1-38模拟中使用模拟中使用BH 曲线曲线 -B2 曲线必须确认为曲线必须确认为“光滑光滑”利用线圈励磁的模型相似于单元边列式法：线圈区域必须为有限单元利用线圈励磁的模型相似于单元边列式法：线圈区域必须为有限单元模型模型.电流密度有三个分量：电流密度有三个分量：JSX、JSY和和JSZ第三十八页，本课件共有39页4.1-39本章包括下面实例，以显示三维模拟能力本章包括下面实例，以显示三维模拟能力三维衔接铁磁体三维衔接铁磁体静态模拟静态模拟DSP 方法求解方法求解三维致动器三维致动器静态模拟静态模拟单元边方法求解单元边方法求解块导体内的三维杆块导体内的三维杆交流模拟交流模拟单元边方法求解单元边方法求解三维汇流排三维汇流排静态模拟静态模拟MVP方法求解方法求解第三十九页，本课件共有39页