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第二章 第 3节

第二章 第 3节. 2- D 静磁学. 力 (牛顿） 能量(焦耳 ） 功率（瓦） 长度（米） 时间（秒） 质量（公斤）. 磁通密度 B（ 特斯拉） 磁场强度 H（ 安培/米） 电流（安培） 电阻率 ρ （ 欧姆-米） 电压 V（ 伏） 电感 L（ 亨） 磁导率 μr ( 亨/米） 电容（法拉）. 分析中使用的单位制为国际单位制: S I. 求解模型的单位制 : SI. 基本关系式: B= μ H, 其中 μ = μ r μ 0 μ 可为单一值（线性） 各相同性或正交各向异性

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第二章 第 3节

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  1. 第二章 第 3节 2-D静磁学

  2. 力 (牛顿） 能量(焦耳 ） 功率（瓦） 长度（米） 时间（秒） 质量（公斤） 磁通密度B（特斯拉） 磁场强度H（安培/米） 电流（安培） 电阻率ρ （欧姆-米） 电压V（伏） 电感L（亨） 磁导率μr (亨/米） 电容（法拉） 分析中使用的单位制为国际单位制: S I 求解模型的单位制 : SI

  3. 基本关系式: B= μ H, 其中 μ = μr μ0 μ 可为单一值（线性） 各相同性或正交各向异性 Preproc>material props>isotropic 平面属性要求赋予材料质性号 μr相对磁导率

  4. μ可为非线性，以模拟饱和状态 • BH曲线数据能从ANSYS55材料库中获得 • 缺省的BH材料库在ansys55 目录下的matlib子目录中 : Preproc.>material props>material library>library path • 通过指定路径可在其它位置得到材料数据

  5. BH 数据可用如下方式输入 Preproc>material props>material library>import library 选择材料属性 选择材料 • 选择 OK

  6. BH 数据生成图形和列表显示 材料号 表示在列表显示中的数据点号

  7. 数据也可列成表格. • 这种表格也能人工制成 Utility>list>properties>data tables • 选择OK

  8. BH曲线输入指南 • 数据点(0,0) 不要输入 • 定义曲线弯曲处的数据点要密（见M54的数据点） • BH曲线要避免生成S形 • 通常M钢定义BH数据到8,000 A/m • 数据需要外推 • 这些曲线的μ值通常需要附加大量的数据以使得μ值由大逐渐变到最终斜率 • 最终斜率为空气值(μ0)

  9. BH 数据输入 应用实例: 400系列不锈钢输入如下数据 H(A/m) B(T) 790. 0.77 1575. 1.10 2365. 1.30 7875. 1.50 15750. 1.56 31500. 1.63 47245. 1.66 78740. 1.70

  10. 首先定义数据表，然后把BH数据输入数据表中 Preproc> material props>data tables>define/activate 平面属性要求赋予材料号 • 选择OK

  11. 利用编辑激活表格输入BH数据 Preproc> material props>data tables>edit active • 输入数据后，用鼠标点取 File>Apply/Quit • 图示: Preproc>material props>data tables>graph • 列表: Preproc>material props>data tables>list

  12. 实际求解需要用到 dν/ dB2为避免粗劣的v=Yu 条件曲线，ν - B2 应该是单调的。 Utility>plot>data tables>graph NU vs. B**2

  13. 把该曲线数据放置在库内 ，以备将来使用。 Preproc.>material props>material library>export material 选择文件名 选取生成的BH 数据的材料属性

  14. 应用实例: 轴对称直流致动器 “衔铁”部件 • 课题描述 • 轴对称 • 线圈为直流供电 • 衔铁居中但悬空在定子上方。 • 分析顺序 • 用axis2d宏建模 • 完成建模后，加边条件 • 求解 • 后处理 “气隙” (mm) 力 磁动势 误差范数 电流 磁力线 路径图示 能量 电感 材料号5 (同衔铁) “线圈”部件

  15. 性质 衔铁/定子: 上述BH 曲线 线圈: 300 匝, 26线径，μr = 1 空气: μr = 1 励磁 直流施加到线圈: 3 安培 单位: 毫米(mm)

  16. 对于大多数应用，通常指定电压，线圈电流是算出来的.对于大多数应用，通常指定电压，线圈电流是算出来的. • 26线规直径 (Dw )= 0 .404 mm (在20摄氏度下) • 铜电阻率 (ρ) = 17.14 E-9 Ω - m（在20摄氏度下） • 匝数 (N) = 300 • 线圈中径为8 mm (Rmid) • 均匀填充圆线圈的电阻为： R = 16000 N ρ Rmid / Dw2 R = 4.03Ω • 对于静态分析，12 V 电压相应的电流为2.98安，本分析采用3安。

  17. 参数化建模需要： • 参数GAP必须定义 在命令行输入gap=.5 并回车 • 选择分网密度 • Preproc>size cntrl>basic • 点取OK

  18. 在ANSYS命令窗口输入axis2s并回车，以建立模型 • axis2s宏生成模型 • 衔铁单元部件ARMATURE • 线圈面积参数ACOND • 线圈单元部件 COIL

  19. 材料号 1为空气 • 完善边界条件 • 通量平行边界条件 Preproc>loads>apply>boundary>-flux par l-lines • 选择模型边界上的所有线

  20. 如下方式定义材料号 1（自由空间磁导率） Preproc>material props>isotropic • 选择OK • 选择OK

  21. 给线圈平面加载线圈电流 Preproc>loads>apply> excitation>-current density-areas • 选择线圈平面 • 选择 OK

  22. 给衔铁加力边界条件标志 Preprocessor>Loads>Apply>-Magnetic-Flag>Comp Force • 选择 OK 选择 ARMATURE • 用不同的方法计算力，故加载两种标志 • Maxwell 应力张量 • 虚功

  23. 选择所有几何和有限元实体 • 进行模拟 • Solution>electromagnetic>opt&solve • 选择 OK（采用缺省设置进行求解） 请确认

  24. 磁力线 Postproc>plot results>2D flux lines • 注意漏磁位置 • 线圈区 • 定子上角 • 定子与衔铁交界位置

  25. 计算力 Postproc>elec&mag calc>comp.force • 选择 OK • 轴对称模型只产生垂直方向力 • 定义单元表项 • FVW_Y 虚功Y方向力 • FMX_Y Maxwell应力Y方向力 • 环状模型力总和

  26. 用与衔铁邻接的空气单元来计算衔铁力，并显示用与衔铁邻接的空气单元来计算衔铁力，并显示 • 首先选择空气单元 1) 首先选择空气单元- 材料属性为1 2) 用 Num/Pick从中选取邻近衔铁面空气单元 用框选取 选择Apply

  27. 虚功方法计算垂直力并用等值图显示 Postproc>plot results>elem table • 选择OK 在气隙中选取空气单元

  28. 用路径图示选项(PATH) 能获得沿衔铁面的力的分布图 • 必须定义路径 Postproc>path operations>define path>by nodes 点取节点 2 点取节点 1 给一个任意的名字 增加沿路径的数据采样点的数量 • 选择 OK

  29. 路径定义信息如下 • 路径内的结果插值是在总体坐标系下（与柱坐标系或其它局部坐标系相比） • 路径由直线组成

  30. 单元表项FVW_Y 中的力必须插值到路径上 Postproc>path operations>map onto path 任意名 选择 ETAB.FVW-Y • 选择OK

  31. 将FVW_Y沿路径显示 • Postproc>path operations -plot path items- on geometry 已定义 将路径显示图缩放到一个较好的程度 路径图示迭加在几何体上 • 选择 OK

  32. 作用在衔铁上的垂直方向力的路径图示 节点

  33. 路径上的力(F_Y) 也能打印输出 • Postproc>path operations>list path items • 选择OK 离路径节点节点1的距离

  34. 线圈Lorentz力（J x B） • 选择线圈区域并定义为一个部件。 • Utility>select>comp/assembly>select comp/assembly • 选择线圈 • 为Lorentz 力定义单元表 • Postpro>element table>define table 选择

  35. 作用于整个圆环上的 X 方向的Lorentz 力 任意名 • 选择OK • 选择Add

  36. 线圈X方向 Lorentz 力的等值图 Postproc>element table>plot elem table • 选择OK

  37. 作用在线圈单元上的总力 • Postpro>element table>sum of each item • 该操作作用于全部激活单元上 • 相当于360°圆周上的受力 • 力单位为牛顿: N

  38. 根据节点磁场值差异估计误差，且作为单元表数据贮存根据节点磁场值差异估计误差，且作为单元表数据贮存 Postpro>mag&elec calc> error eval • B_ERR 单位 (T) H_ERR 单位 (Amps/m) • BN_ERR 和HN_ERR 由最大值归一化

  39. BN_ERR 能用磁力线图进行等值显示 • 图示 BN_ERR单元表项 • Postpro>element table>plot elem table • 选择 OK • 激活NOERASE 选择 • Utility>plot cntrls>erase options

  40. 图示磁力线 • Postpro>plot results>2D flux lines • 选择OK

  41. 线性和非线性材料的共能计算 Postpro>elec&mag calc>coenergy • 选择OK

  42. 也能计算贮能 Postproc>elec&mag calc>energy 注：铁的共能大约是贮能的8倍，表示铁的饱和效应所致

  43. 铁单元的磁导率能用等值图显示 Postpro>element table> • 选择ADD plane53 单元在线帮助 • 选择 OK • 这是绝对磁导率

  44. 为了获得相对磁导率，单元表应乘以MUZ系数 • 将自由空间磁导率赋予参数: MUZ=12.57x10-7 Postpro>element table>add items 用已有名字 自由空间磁导率参数 不需要第二个单元表项 • 选择OK

  45. 用等值图显示相对磁导率MUR Postpro>element table>plot elem table • 选择t OK 注意饱和区

  46. 沿闭合线计算磁动势MMF • 确保整个模型都被激活 • 必须定义围绕线圈的路径 • Postpro>elec&mag calc>define path>by nodes 选取如图所示的7个节点，可从任一节点开始 跨越空气隙时，气隙两边的铁边界上各选取一个节点 路径的最终节点应与起始节点是同一个

  47. 完成路径定义 由于铁与空气的界面处H值不连续，故应增加采样点的数目 • 选择OK

  48. 绕闭合回线计算MMF Postpro>elec&mag calc>MMF • 选择 OK • MMF正负号由右手定则决定，路径的反时针方向与线圈电流的方向相反（对于轴对称模型，正电流方向为进行平面方向）

  49. 为了确定铁芯饱和程度，沿定子的中间部分定义一个路径并计算MMF为了确定铁芯饱和程度，沿定子的中间部分定义一个路径并计算MMF 选取节点 1 MMF = -384 A-t 选取节点2

  50. 评述 • 输入的总安匝数为900，铁芯的中间部位有384安匝，也就是空气隙中只有519安匝（忽略其余铁芯中的磁动势） • 如果384安匝中的大部分都在空气隙中，磁力会有多大？对于本问题，电磁力至少会增加2倍。 • 可用另一种方法显示这一点：将铁芯的磁导率设为1000，进行线性求解

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