1、2-D交流和瞬態分析交流和瞬態分析1交流模擬是一種隨時間變化的模擬假定勵磁為正弦波角角 (度度)勵磁電壓勵磁電壓 (V) 電流密度電流密度 (A/m2) 2可用兩個場分量來表示電相角為0場分量電相角為90場分量考慮一個導電桿在一個絞線線圈中3通量平行條件通量垂直條件通量垂直條件絞線圈絞線圈二維軸對稱有限元模型二維軸對稱有限元模型電流密度電流密度: 1E6 A/m2 頻率頻率: 100Hz導電桿導電桿4二種求解結果:實數解: 線圈勵磁相位0度虛數解：相位差90度實數解實數解虛數解虛數解5利用這兩種求解結果，任何時間處的場量都能用迭加的方法來生成執行動畫文件：執行動畫文件：acaz.avi觀察場動

2、畫觀察場動畫6根據Faradays 定律，線圈中的時變電流會在導體中感生電流執行動畫文件執行動畫文件acjt.avi ，觀察電流動畫，觀察電流動畫7其他假定模擬只考慮感應效應Faradays定律在絞線圈中感生電流在大導體內電流會重新分布不考慮射頻效應模擬是線性的幾何體不變保持均勻性條件如果用BH曲線描述材料性質，就可以模擬飽和狀態8導電桿中最值得注意的電流效應是感生電流的非均勻性桿中心桿中心桿外半徑桿外半徑(m)9集膚效應是由Amps 定律和Faradays定律耦合而產生無源、半平面導體電場每隔如下厚度衰減1/ e： = ( f) -1/2 (m)式中 = 磁導率 = r 0 = 電導率= 1

3、 / =電阻率 (Ohm-m)f = 頻率(Hz)10導電桿取下列數據: = 100 00 = 1.2566E-6 (H/m)= 2E-7 (Ohm-m)f = 100 (Hz) 代入代入, =(3.1415)(100)(1.2566E-6)(.5E+7)(100) -1/2 =.0023 m =2.3 mm與圖形相對應，從外半徑與圖形相對應，從外半徑7.7mm向內向內2.3mm，由于軸對稱形狀，由于軸對稱形狀的影響，電流衰減值大于表面電流值的的影響，電流衰減值大于表面電流值的1/e (2.71) 。11模擬交流狀態，有三種基本物理考慮 (1) 模擬施加到線圈/導電桿上的功率的方法施加電流邊界

4、條件已知電流值致動器感應加熱施加電壓邊界條件不知道電流值電機施加了任意載荷的非理想變壓器12(2) 導電體類型絞線型導體: 導體是否細到足以忽略渦流效應的影響? （渦流效應以非均勻的方式重新分布電流）典型應用:變壓器繞組電機繞組 致動器繞組13塊導體:導體大到足以允許渦流的產生。 場量和電流的峰值在一個或多個面上會重新分布典型應用典型應用:變壓器中的大導體變壓器中的大導體鼠籠電機導電桿鼠籠電機導電桿感應加熱感應加熱14BSUM (T)MX電流密度幅值電流密度幅值 (A/m2)MX導電桿導電桿在絞線圈內的圓柱形導電桿上能觀察到渦流效應在絞線圈內的圓柱形導電桿上能觀察到渦流效應15(3) 終端條件

5、終端短路條件: 導體間是否在端部連接以允許電流在導體之間流過 ?三維導體終端連接三維導體終端連接二維模型二維模型16端部短路條件不用任何對稱條件，只模擬導體一部分:三維導體終端連接三維導體終端連接部分導體不建模部分導體不建模二維模型二維模型17端部開路條件:導體端部是否分開以至于電流不能在導體之間流過?三維導體在終端開路三維導體在終端開路二維模型二維模型18材料性質:要模擬渦流，需另外提供的材料性質是電阻率( RSVX)單位：歐姆-米某些單元類型選項要求定義電阻率，可參考單元選項的幫助文檔RSVX可以是的溫度的函數19如何模擬疊片鐵芯 ?疊片允許使用可導磁的材料，但無損于鐵芯中渦流的發展。可是

6、， BH數據和磁導率是頻率、疊片材料和疊片厚度的函數。通常，如果存在空氣隙，就可不需要考慮迭層系數。如果需要考慮的話，迭層系數效應包含在磁導率數值內。20迭片平行于磁通: eff = S (r - 1 ) + 1式中 r = 迭片磁導率S = Wi/(Wi+Wa)Wi = 一個迭片厚度Wa = 迭片之間非導磁材料厚度疊片疊片磁通方向磁通方向21迭片垂直于磁通: eff = r / r - S (r - 1 ) 式中 r = 迭片磁導率S = Wi/(Wi+Wa)Wi = 單個迭片厚度Wa = 迭片之間非導磁材料厚度磁通方向磁通方向疊片疊片22問題描述平面導體為電流供電導體為塊導體 導體和空氣都

7、在磁導率無限大的槽內分析順序建模加邊界條件執行模擬后處理磁力線功率損失 導體導體空氣空氣鐵鐵23性質導體: r = 1 = 17.1 -mm空氣: r = 1 槽材料: 完全導磁材料勵磁1 安培(峰值)交流電流初始相位為0度空氣空氣鐵鐵 導體導體 24因為電流加在整個導體截面上，要求VOLT 自由度耦合建立兩種單元類型空氣為1號單元類型導體為2號單元類型，具有VOLT 自由度Preprocelement typeadd/edit/delete導體為導體為2號單元類型號單元類型平面平面 選擇選擇 OK25建立空氣材料(MURX =1) 性質1號材料）Preprocmaterial propsis

8、otropic (用Apply 來選擇)建立導體材料(MURX =1 and RSVX=17.1E-9) 性質2號材料）Preprocmaterial propsisotropic選擇選擇 OK26為建模輸入參數A = 6.45 mmB = 8.55 mmC = 8.45 mmD = 18.85 mmE = 8.95 mm用二者之一用二者之一1) 窗口命令窗口命令2) Utilityparameterscalar輸入參數后選擇輸入參數后選擇Accept 27 選擇選擇 Apply 建立導體上半部份建立導體上半部份 建立導體下半部份建立導體下半部份Preproc createrectangleb

9、y dimensions 把上下導體連成一個平面把上下導體連成一個平面Preprocoperateaddareas Pick All28建空氣間隙 利用利用glue 操作連接兩個平面操作連接兩個平面 Preprocoperateglueareas 選擇選擇 Pick All 選擇選擇 OK29空氣區域屬性的缺省值為1號材料和1號單元給導體賦屬性Preproc-Attributes-definepicked areas (選擇導體) 選擇選擇 OK30生成網格Preprocmesh-areas-free mesh選擇Pick All打開材料號顯示打開材料號顯示31模擬端部條件需要耦合電壓VOLT

10、自由度選擇導體節點32 進行耦合Preproccoupling/ceqncouple DOFs耦合顯示符號耦合顯示符號主節點主節點 選擇選擇 OK33空氣隙上部加通量平行條件 Preprocloadsapplyboundaryflux parlon lines34利用.001系數來縮放模型，使其單位制從毫米變化到米選擇整個模型Preprocoperatescaleareas 選擇選擇 OK35給導體加峰值電流安培）Preprocloadsapply-electric-excitationon keypoints選取導體的任一個關鍵點給該點加上1安培峰值電流選擇諧波分析類型選擇諧波分析類型 So

11、lutionnew analysis (選擇選擇Harmonic)36設置分析的交變頻率Solutiontime/frequencfreq & substeps終止頻率：允許模擬終止頻率：允許模擬多個頻率多個頻率多個頻率模擬時，確保相同頻率激勵多個頻率模擬時，確保相同頻率激勵確定模仿中間頻率分段數確定模仿中間頻率分段數37進行模擬UtilityselecteverythingSolutioncurrent LS 選擇選擇 OK38后處理可處理兩個解檢察外加電流時的同相場 (實數解 )Postprocby load step 選擇選擇 OK39電流分布電流分布選擇導體選擇導體 Postp

12、rocelec&mag calccurrent磁力線圖示Postprocplot results2D flux lines40利單元表數據JT （實數解看電流等值圖Postprocplot resultselem table41檢察與外加電流相差90度相位的場量虛數解）Postprocby load step 選擇選擇 OK42磁力線圖示Postprocplot results2D flux lines電流分布電流分布選擇導體選擇導體 Postprocelec&mag calccurrent43Postprocplot resultselem table (虛數解) 選擇選擇

13、OK44計算導體中的功率損失 Postprocelec&mag calcpower loss功率損失為單位導體長度功率損失為單位導體長度結果以參數方式貯存，可用命令結果以參數方式貯存，可用命令 Utilityparameterscalar來觀察來觀察45圖示功率損失Postprocplot resultselem table (PLOSSD) 選擇選擇 OK46例題描述軸對稱加載電壓絞線型線圈屏蔽極是一個圓環分析順序建模加邊界條件和載荷進行模擬后處理時間平均力屏蔽極功率損失線圈阻抗 Z = V / I = Re + jRi47Units: m材料性質:線圈: 銅直流電阻: 12 400

14、 匝, 32 線徑 = 17.1 -mm 銅環: r = 1 = 17.1 -mm空氣: r = 1 定子和銜鐵: 鐵素體r = 1000 1 -m勵磁: 24 V RMS AC 模型: 軸對稱48物理區域描述屏蔽極圓環是連續的截面電流不為零.線圈線圈由小于32線徑導線組成，細絞線忽略集膚效應.鐵芯區 (銜鐵和定子)導磁電阻太大而不計渦流.49利用acsolen.mac宏建模未圖示空氣單元線圈屬性單元類型: 設置2號單元(Plane53)線圈要求電壓供電實常數設置設置 4要求相應于直流電阻12歐姆的線圈400 匝50屏蔽環屬性連續圓環：短路狀態單元類型: 1號單元(Plane53)資料設置 4

15、電阻率 RSVX定子非導體）單元類型: 1號單元 (Plane 53)材料號 2銜鐵非導體）單元類型: 1號單元 (Plane 53)材料號3Shading ring51為了確定自由度，可查詢Help UtilityHelpT of Canalysis guideElectromagneticHarmonic52確定線圈單元類型選項 Preprocelement typeadd/edit/dele 選擇選擇 OK 選擇選擇 Options53空氣空氣定子定子銜鐵銜鐵線圈線圈屏蔽圓環屏蔽圓環證實材料性質證實材料性質54建立電阻為12歐姆、400匝的軸對稱線圈的實常數數據實常數數據要求:線圈模型橫

16、截面(Ac)單位: m2線圈匝數400）填充系數 (CF) CF = Aw / Ac Aw = 銅線總截面積不包括絕緣層） 單位: m255 將面積輸入參數將面積輸入參數ACOND Utilityparametersget scalar 選擇選擇 OK求得線圈的截面積選擇線圈平面計算線圈截面積Preprocoperatecalc geom itemsof areasOK 56輸入參數名輸入參數名選擇 OK由Utilityparametersscalar菜單證實參數57線圈填充系數必須由匝數、電阻率和面積組成，從而得12歐姆的線圈直流電阻軸對稱矩形線圈填充系數 Cf 表達式為 式中 = .172

17、41E-7N = 400Ac = ACOND 參數Xc = 線圈橫截面質心徑向距離質心徑向尺寸Xc可輸入XCOND參數 2XcN2 Ac RcoilCf = 58Utilityparametersget scalar 選擇選擇 OK 選擇選擇 OK輸入參數名輸入參數名59 選擇選擇 Accept 線圈填充系數線圈填充系數CF由由Utilityparameters菜單計算菜單計算 許多致動器設計都在同一窗口并聯多個線圈，如果只對一個線圈進行模擬許多致動器設計都在同一窗口并聯多個線圈，如果只對一個線圈進行模擬，則只要求建立這一個線圈的模型，這導致填充系數看起來很低，則只要求建立這一個線圈的模型，這

18、導致填充系數看起來很低60假設線徑和匝數已選定線圈電阻未知）查找本線規的總截面積線徑32， Aw = .0324 mm2 Cf = 銅的總截面積/線圈截面積Cf = 400 (.0324) (1E-6) / 6.6E-5 = .19661為線圈建立4號實常數Preprocreal constants選擇選擇 Add 選擇選擇 OK62輸入線圈實常數數值，選擇選擇 OK應用下列菜單列出實常數應用下列菜單列出實常數 Utilitylistpropertiesall real constants63線圈區域需要對全部節點的CURR自由度值相同由于電流守恒，流進線圈的電流必須等于流出的電流值）線圈區域

19、耦合節點選擇線圈區域全部節點Preproccouplingcouple DOF Pick All 選擇選擇 OK必須是一個新的必須是一個新的設置參數號設置參數號64利用APDL 可以獲得當前的最大耦合設置號Utilityparametersget scalar data輸入參數名輸入參數名 選擇選擇 OK輸入的耦合組號應輸入的耦合組號應是是CP_MX+1 選擇選擇 OK65加上電壓勵磁Preprocloadsapply-voltage drop- on areas選擇線圈區域面積）選擇OK峰值電壓峰值電壓66沿模型邊緣加通量平行邊界條件Preprocapplyboundary-flux par

20、l- on lines選擇模型邊緣上的全部線 銜鐵組件施加力標志銜鐵組件施加力標志 Preprocapplyflagcomp. force 選擇選擇 OK67選擇分析類型，進行模擬Solunew analysis 選取諧波分析設置激勵頻率60 Hz）Solu time/frequencfreq & substps 選擇選擇 OK 開始求解開始求解 Solusolve current ls 選擇選擇 OK68AC模擬實際上可得兩組結果數據節點和單元的與激勵同相的場量結果實數解）節點和單元的與激勵相差90度相位的場量結果虛數解）讀入虛數解Postprocby load step.選擇選擇

21、OK69得到虛數解磁力線（虛數部分場量為缺省條件) Postprocplot results2D flux lines在氣隙和銅環在氣隙和銅環附近的附近的BSUM (總磁通密度總磁通密度)70實數部分磁力線加載實數解結果. Postprocby load step 選擇選擇 OK71在銅環和氣在銅環和氣隙區附近的隙區附近的BSUM 72獲取時間平均銜鐵磁力 Postprocelec&mag calccomp. force 選擇選擇 OK頻率頻率(Hz)由虛功法計算的力由虛功法計算的力Maxwell應力張量法計算的力應力張量法計算的力73確定屏蔽極銅環功率損失選擇銅環單元材料號5） Postprocelec&mag calcspower loss圖示環內功率損失圖示環內功率損失 Postprocplot resultselem table74利用單元表利用單元表ERES 選項，可觀察到線圈直流電阻，該值貯存于序列號選項，可觀察到線圈直流電阻，該值貯存于序列號8內內見見PLANE53單元的幫助文檔）單元的幫助文檔）選擇線圈區域（選擇線圈區域（ COIL組件）組件）定義單元表定義單元表ERES，選擇，選擇ADDPostprocelement tabledefine table ADD 選擇選擇 OK75 通過求和線圈全部單元的電阻ERES，得到總的電阻值Postpro