第三章二维谐波和瞬态分2

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1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,,January 30, 1999,3.2-,‹#›,用,ANSYS/Emag,进行电磁场分析,版本5.5 (001172),,3.2-,1,10,Ω,电阻器,50,mH,电感器,2,μf,电容器,,24 伏电压源,电路单元应用,问题描述,电路由如下组成:,10,Ω,电阻,50,mH,电感器,2,μf,电容器,电压源,24,伏（峰值）,1000,Hz,频率,分析顺序

2、,建模,进行模拟,后处理,电流,功率,3.2-,2,Circ124,单元类型,除了指定界面单元外，它不是有限元范畴的一部分,线单元,并不象,Plane53,或,Plane13,要分网格,具有模拟不同电路单元的多种性能,电阻器，电感器，电容器,不同类型的电流源,不同类型的电压源,互感器单元,广泛帮助,,从,Help,查询到,Circ124,单元类型,(,典型例）,3.2-,3,用 实用命令菜单中的命令清除数据库中的数据,,Utility>file>clear and start new,如下菜单生成电路单元,,Preproc>create>circuit,在生成任何电路单元前，需要调整工作平面,

3、,Preproc>create>circuit>center WP,首先建立独立电压源 (,IVS),3.2-,4,建立,IVS,,Circuit>independent vltg source>DC/AC harmonic,,鼠标变成“橡皮筋”状态，自由定位电路单元的位置,,在图形窗口中，必须用鼠标选取三个位置,单元的起始节点,单元的终止节点,两个节点左边或右边的偏置量,IVS（,独立电压源）,3.2-,5,鼠标点取的第一位置，为单元的,I,节点,鼠标点取的第二位置，为单元的,J,节点,鼠标点取的第三位置，以确定单元的定位,,,,3.2-,6,一旦鼠标点取完三个位置，程序弹出一个对话框以输入

4、,IVS,的参数,V4,识别号,,,电压幅值 (峰值,)，,不是均方根值,相位角 (度),,,,选择,OK,3.2-,7,建电阻器,..,Circuit>resistor,当选择第二个位置时，双击鼠标，使其同时也成为第三个位置,这并不必须完全点取在同一个位置，电路建模器会自动捕捉到已存在的节点,鼠标点取的第一点,鼠标点取的第二点,识别号,,,电阻值,Ω,,选择,,OK,,,3.2-,8,建电感器,..,Circuit>inductor,当选择第二个位置时，双击鼠标，使其同时也成为第三个位置,这并不必须完全点取在同一个位置，电路建模器会自动捕捉到已存在的节点,鼠标点取的第一点,,鼠标点取的第二点

5、,,识别号,,,电感值 (,H),选择,,OK,,,,3.2-,9,建电容器,..,Circuit>capacitor,当选择第二个位置时，双击鼠标，使其同时也成为第三个位置,这并不必须完全点取在同一个位置，电路建模器会自动捕捉到已存在的节点,,鼠标点取的第一点,鼠标点取的第二点,,,识别号,,,电容值 (,farads),,选择,,OK,,,3.2-,10,到这里，建模就完成了,电路单元的每一个闭合回路要求约束电压（,VOLT）,自由度（接地）,,Preproc>loads>apply>boundary>-voltage-on nodes,选取回路中的任何一个节点,选择,,OK,,3.2-,

6、11,执行求解,,Solu>new analysis [Harmonic],设置激励频率,,Solu>time/frequenc>freq and substps,选择,,OK,Solu>current LS,选择,,OK,3.2-,12,为获取电路单元结果，可列表显示单元解,缺省状态下的激活结果为虚数解,,Postproc>list results>element solution,选择,,OK,3.2-,13,虚数分量求解结果,3.2-,14,为获取电路单元结果，可列表显示单元解,必须读入实数解,,Postproc>-read results-by load step,选择 [,REAL]

7、,选择,,OK,Postproc>list results>element solution,,3.2-,15,实数分量求解结果,3.2-,16,2,D,变压器应用实例,问题描述,变压器初极构成如下:,2,Ω,直流电阻,1080,匝,变压器次极构成如下:,.02,Ω,直流电阻,108,匝,电压源,60,伏特峰值,60,Hz,频率,线圈在 75,C,叠层长度: 70,mm,,初极,次极,磁路,,,,空气隙,,不同颜色表示不同材料,,,3.2-,17,分析过程,利用对称性,模拟次极短路情况,建立电路模型,实常数设置,耦合,进行交流分析,后处理,电流,功率,,,,3.2-,18,物理区域描述,铁区

8、,导磁,叠片铁芯，无须考虑集肤效应,线圈区,绞线圈 (无集肤效应),导电率随温度的增加而增加,初极,由独立电压源（,IVS）,驱动,次极,短路,全部边线通量平行,,3.2-,19,材料性质,,铁,μ,r,= 10,000,ρ: Not input,线圈,μ,r,= 1,ρ= 2E-7,空气,μ,r,= 1,空气,,铁,,次极线圈,初极线圈,,,3.2-,20,用,in_tran,宏建立变压器对称的一半模型,在命令行输入：,,in_tran,变压器模型,铁芯叠片: 材料 2,,空气隙,,初极,次极,3.2-,21,模型数据,组件,初极线圈,p-side (,单元+节点),次极线圈,s-side

9、 (,单元+节点,),单元类型 2 用于两个线圈区域,两个线圈的横截面积相同，并用参数,ACOND,定义,单元类型 2,,,3.2-,22,电路单元条件,初极,由一个独立电压源(,IVS),单元提供激励载荷,用一个绞线圈将独立电压源(,IVS),连接到有限元区域上,,次极,用一个小电阻模拟短路条件,用一个绞线圈将电阻,连接到有限元区域上,要求在单元类型选项中激活这些自由度,,,3.2-,23,线圈区域单元类型的自由度选项必须激活,,Preproc>element type>-add/edit/delete,[OPTIONS],选择,,OK,线圈单元类型号,,要求选取这些自由度,,3.2-,24

10、,每个线圈必须输入实常数数据，使之符合于指定的直流电阻值,次边 (,s-,边) 实常数设置号2,原边(,p-,边) 实常数为1,3.2-,25,对于平面模型，绞线圈实常数数据组成如下,区域截面积,(,CARE) =,线圈单元的总面积（可用面积求和）,匝数,(,TURN),长度: 必须为折合长度,(,LENG),电流正方向（“进”或“出”平面方向）（,RIRZ ）,线圈填充系数,(,FILL)（,随后计算）,,线圈单元图,3.2-,26,如果用两个截面来模拟线圈，则线圈电阻应分配到两个截面上,如果只有一个截面模拟整个线圈电阻，那么这个截面必须相应于线圈电阻（例题所示）,平面截面线圈填充系数表达

11、式为：,A R,coil,C,f,=,,N,2,ρL,,式中,,N =,线圈匝数,,ρ,=,电阻率 (,Ω -M),L =,折合长度 (,M),(,折合长度,L,可能需作适当调整，以计及终端绕组的影响）,,A =,线圈区域单元面积 (,m,2,),R,coil,=,单个线圈电阻(,Ω),3.2-,27,对于初极线圈,,N = 1080 L = .07 m ρ = .2E-7 Ω -m,R,coil,= 2 Ω A = ACOND = .00125 m,2,,,Cf = .07258 (,对应于一个线槽内的整个线圈),,对于次极线圈

12、,,N = 108 L = .07 m ρ = .2E-7 Ω -m,R,coil,= .02 Ω A = ACOND = .00125 m,2,,,Cf = .653184 (,对应于一个线槽内的整个线圈,),,,3.2-,28,这些值输入到每个线圈的实常数组中,初极线圈，实常数组设置为1,,Preproc>real constants>,选择,,EDIT,,对应于初极线圈,,,对应于初极线圈,,选择,,OK,,3.2-,29,在实常数1中，输入初极线圈数据,线圈区单元类型号,,选择,,APPLY (,输入次极线圈数据),3.2-,

13、30,在实常数组2中输入次极线圈数据,选择,,OK,3.2-,31,建电路单元,工作平面处于屏幕中心,,Preproc>create>circuit>center WP,建初极独立电压源,IVS,.. Circuit>indp vltg src>AC/DC harmonic,变压器有限元区,,首先，鼠标选取起始节点,其次，鼠标选取终止节点,最后，鼠标点取电路单元的偏置位置,,,,3.2-,32,峰值（电压）,相位角（度）,电路单元标志号,,,,选择,,OK,,注:,完成此窗口后，才显示实际电路单元,第三个位置选取后输入:,3.2-,33,建立绞线圈单元,(,SCE) ，,将,plane53,单

14、元构成的线圈截面与独立电压源（,IVS）,相连接,..,Circuit>strnd coil -,首先，鼠标选取,SCE,连接到,IVS,的一端,第二，鼠标选取,SCE,连接到,IVS,的另一端,第三，用鼠标选取,SCE,的偏置位置,,,,最后的鼠标点取将,SCE,连接到有限元区的横截面上,，,该单元必须为初极的有限元单元,,建初极线圈,,3.2-,34,绞线圈单元的附加信息,标志各个,SCE,允许,SCE,改变已定义好的实常数值,,,选择,,OK,3.2-,35,建电阻,（1,E-8,欧姆），模拟短路,..,Circuit>resistor,鼠标第一次选取,鼠标第二次选取,鼠标第三次选取,

15、,,,电阻器识别号和电阻值,选择,,OK,建次极电路,3.2-,36,建,SCE，,将次极电路与电阻器,(,RES),相连接,鼠标第一次选取将,SCE,连接到,RES,鼠标第二次选取,鼠标第三次选取,,,,最后的鼠标点取将,SCE,连接到次极单元,,采用与前面定义过的绞线圈相同的数据,选择,,OK,用户线路设备标识图,3.2-,37,每个独立回路必须约束,VOLT,自由度,,Preproc>loads>apply-electric-boundary>-voltage-on nodes,,每个独立回路选一个节点,选择,OK,窗口输入,“0”,选择,OK,,,3.2-,38,选择,,APPLY,线

16、圈区要求耦合,CURR,和,EMF,自由度以使电流守恒，以及使绕组电流均匀分布,初极,利用,P-SIDE,组件选取初极单元节点,在初极生成两组耦合,,Preproc>coupling/ceqn>couple DOF,选择,Pick ALL,3.2-,39,在选取框内选择,Pick ALL （,由于由于前面选了,APPLY）,选择,,OK,设置号必须不相同,,选择,,OK,初极耦合,3.2-,40,对初极必须生成相同类型的耦合组,利用组件,S-SIDE,选择次极节点,,对次极生成两组耦合,,Preproc>coupling/ceqn>couple DOF,选择,Pick,ALL,,选择,,APP

17、LY,设置号必须唯一,,,3.2-,41,在选取框内选择,Pick ALL （,由于前面选了,APPLY）,设置号唯一,,,次极耦合,选择,OK,,3.2-,42,铁芯外边加通量平行边界条件,,Preproc>loads>apply>boundary>flux par’l on lines,,选择,OK,,注：线段颜色变亮,3.2-,43,进行模拟，进入求解器,,Solu>new analysis [HARMONIC],设置模拟频率,,Solu>time/frequenc>freq&substps,选择,,OK,3.2-,44,激活整个模型,Utility>select>everything

18、,开始求解,Solu>Current LS,,确认模型为二维,,电路附加自由度,,选择,,OK,3.2-,45,读入结果，图形显示两种结果,Postproc>by load step [REAL],实数解,Postproc>by load [IMAGINARY],虚数解,3.2-,46,确认线圈的直流电阻,选择线圈区域（材料3）,定义单元表选项,(,ERES),求电阻,,Postproc>element table>define table [ADD],从,Help,查询,PLANE53,单元,,3.2-,47,生成,ERES,求和,只选初极线圈单元：,p-side,组件,对全部激活单元的,

19、ERES,求和,,Postproc>element table>sum of each item,选择,OK,,只选择次极线圈单元：,s-side,组件,对全部激活单元的,ERES,求和,,Postproc>element table>sum of each item,选择,,OK,,3.2-,48,电路单元结果包括:,线圈电流,功率,选择电路单元,Postproc>list results>element solution,选择,,OK,为了得到实数解结果，首先重新读入实数解载荷步，重复上述列表,（,List,）操作,3.2-,49,功率 (,W),电流 (,A),3.2-,50,采用次极的

20、短路结果，计算初极阻抗,,Z,eq,= V,p,/I,sc,,式中,,,V,p,= 60,,I,sc,= +.809 +,j,-3.39 (A),,Z,eq,= 4.00 +,j,16.75 Ω,3.2-,51,瞬态分析,瞬态分析是时变分析的一种通用方式,非正弦输入,脉冲宽度调制,测试数据信号轨迹,跃变电压,电容放电,,交流分析不建议采用饱和材料,需要精确的信号输出,,模型内包含永磁体,在由磁体构成的致动器上加载跃变电压,3.2-,52,对物理区域的考虑与交流分析中的要求相同,电压与线圈输入励磁,载压线圈的附加数据,面积、匝数、填充系数（轴对称）,面积、匝数、方向、长度、填充系数（平面

21、）,电阻率,RSVX (Ω-m),绞线圈与块导体,块导体的自由度耦合,块导体的电阻率,RSVX,终端条件,短路与开路,集肤区域的网格细化,,3.2-,53,致动器——采用跃变电压,利用前面演示章节中用到的交流致动器,跃变电压条件,涡流效应,用自动时间步作瞬态模拟,数据贮存控制，有效地控制资源利用,每个时间步后处理,单自由度值（线圈电流）,单元数据求和,力,功率（圆环）,衔铁,圆环,线圈,,,3.2-,54,物理区域,圆环,自由空间磁导率,电阻率,ρ=.171E-7 Ω -m,电压供电线圈,12,Ω,直流电阻,400,匝,衔铁和定子,高电阻（无涡流）,导磁率—使用,BH,磁化曲线,圆环,线圈,,

22、,衔铁,定子,,H (A/m),B (T),3.2-,55,,励磁,线圈加24伏跃变电压,,,时间（,S）,电压,(,V),,24,圆环,线圈,,,衔铁,3.2-,56,利用,trsolen,宏命令生成模型、单元、实常数组、材料,命令窗口输入,trsolen,建模,,,,圆环,,,线圈,衔铁,,3.2-,57,定义组件,COIL (,线圈单元,),ARMATURE (,衔铁,),RING (,圆环),,线圈区域包括,电流自由度（,CURR）,实常数(4)、400匝、24,Ω,电阻率,RSVX,为0,.171,E-7 Ω-m,,环,,,线圈,衔铁,,3.2-,58,完成边界条件设置,施加衔铁力标

23、志,,Solu>apply>flag>comp. force [ARMATURE],,模型边界平行边界条件,,Solu>apply>boundary>-flux par’l-on lines,,线圈区域加24伏电压,,Solu>apply>excitation>-voltage,drop-on areas,,(24,伏电压加到线圈区),,,,,,,载压线圈的电流耦合,,3.2-,59,定义瞬态分析,,Solu>new analysis [TRANSIENT],选择,OK,定义将结果写入结果文件的频度,,Solu>output ctrls>DB /results file,控制将结果写入结果文

24、件的频度， “2”表示每隔一个时间子步写入一次结果文件,,选择,,OK,3.2-,60,定义载荷步时间和时间步长（子步长）,Solu>time/frequenc>time and substps,建议：利用前面分析中的,L,计算,L/R,时间常数，并放大5倍,,起始时间步长为,.01/40,在第一时间步就施加激励,,,3.2-,61,允许程序自动确定时间步长,,定义允许的最小时间步长，时间步长由场的变化速度来控制,定义允许的最大的时间步长。根据用户在后处理中绘图或列表时，要求观察多少个中间结果而定,,设为“,yes”,表示允许在瞬态分析中使用前一时间步的时间步长步开始进行下一载荷步的分析,,,

25、选择,,OK,完成时间和时间步长的数据输入,3.2-,62,开始分析,激活整个模型,Solu>current LS,,确认分析类型已改变,,确认使用了电压供电线圈选项,3.2-,63,确认时间和时间步控制的输入数据,证实结果存储的频度，缺省只保存每个时间步最后子步的结果,,,3.2-,64,选择,,OK,由于铁芯区使用了,BH,曲线（非线性），在求解过程中会显示收敛范数,求解时间（秒）在不断修正的,,3.2-,65,对整个分析过程的线圈电流进行后处理,,Time Hist>define variables [ADD],,,线圈节点的,CURR,自由度可以显示线圈电流的时间历程,,选择,,OK,

26、,用于结构分析,,3.2-,66,在线圈区选择一个节点,,,,这是在线圈区选择的节点的节点号（自动输入）,,线圈电流自由度,,,参考号,> 1,,选择,,OK,,该名字将显示在图形窗口中，应其他变量名区分开来,3.2-,67,当前所定义变量的概总信息,选择,,CLOSE,3.2-,68,图示线圈电流,选择,,OK,,可选择输入其他变量（采用相同标度）,,上述定义的参考号,,3.2-,69,列出最大/最小值,,Thpost>list extremes,选择,OK (,缺省情况下，列出全部变量),线圈电流的时间历程列表显示（随时间变化值）（根据所贮存的结果数据）,,Thpost>list var

27、iables,,,选择,,OK,3.2-,70,在每个时间步需要进行单元求和的项目，必须使用,Elec&mag,中的选项,,Time Hist>elec & mag>magnetics,概述文件和图形文件名,衔铁磁力(牛),环功率损失（瓦）,,3.2-,71,当显示概述文件时，操作即告完成,,3.2-,72,trsol.plt,图形文件可利用,ANSYS,中的,DISPLAY,实用程序观察（从,ANSYS,启动界面进入）,1),打开图形文件,trsol.plt,file>open graphics file [trsol.plt],2),按“,Plot next”,3.2-,73,trs

28、ol.plt,文件中还贮存有其他图形,,10,-1,圆环功率（瓦）,3.2-,74,可针对分析过的某个特定时间点对整个模型进行后处理,通过列表显示结果文件中的数据，可确定有哪些结果可处理,,Postproc>results summary,3.2-,75,读入结果有多种方法,1),利用载荷步和子载荷步,,例: 载荷步1、子步10相应于时间,= .0045,时的结果,,Postproc>by load step,,,选择,OK,,,显示,BSUM,3.2-,76,,2) 利用结果集号（,set,号）,例: 载荷步1、,set 5,读取,.0045,秒的结果,,,,3.2-,77,3),如果要

29、读入规定时刻的结果，后处理器自动在两个与所定义时间最接近的结果集之间插值，例如，,.005,秒处的结果将用第5和6结果集插值得到,,Postproc> time/freq,这选择了插值，另一种选择是读入与所定义时间最接近的结果,,选择,,OK,3.2-,78,后处理图形中标明了与该结果相对应的时间,,,,,3.2-,79,利用,PlotCtrls,中的,选项，可用动画模拟分析结果,选择模型中感兴趣的部分，调整图形使动画效果最好,,Utility>plot ctrls>animate>over time,使用最大/最小值,,选择,,OK,3.2-,80,允许动画自动重复播放,,选择,Edit>options,,,起动动画,,3.2-,81,执行动画文件:,trsolen.avi,观看动画,按如下方式保存动画文件,,Utility>animation>save animation,3.2-,82,如果还没有退出求解器，就可以对后续载荷步加载和求解,如果已退出求解器，可再进入求解器，利用重分析（,restart）,选项继续分析,Solu>restart,在继续分析之前，应按需要变更模型或改变边界条件,修改激励（改变电压值或删除）、改变材料性质（改变,BH,数据或,RSVX、MURX,等）,改变实常数设置数据（线圈数据或独立电压源的电压）,