第三章

第1節(jié)2-D交流和瞬態(tài)分析1交流模擬的基本概念交流模擬是一種隨時(shí)間變化的模擬假定勵(lì)磁為正弦波角(度)勵(lì)磁電壓(V)

電流密度(A/m2)

2可用兩個(gè)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(gè)導(dǎo)電桿在一個(gè)絞線線圈中3通量平行條件通量垂直條件絞線圈二維軸對(duì)稱有限元模型電流密度:1E6A/m2

頻率:100Hz導(dǎo)電桿4二種求解結(jié)果:實(shí)數(shù)解:線圈勵(lì)磁相位0度虛數(shù)解：相位差90度實(shí)數(shù)解虛數(shù)解5利用這兩種求解結(jié)果，任何時(shí)間處的場量都能用迭加的方法來生成執(zhí)行動(dòng)畫文件：acaz.avi觀察場動(dòng)畫6根據(jù)Faradays定律，線圈中的時(shí)變電流會(huì)在導(dǎo)體中感生電流執(zhí)行動(dòng)畫文件acjt.avi，觀察電流動(dòng)畫7其他假定模擬只考慮感應(yīng)效應(yīng)Faradays定律在絞線圈中感生電流在大導(dǎo)體內(nèi)電流會(huì)重新分布不考慮射頻效應(yīng)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(zhì)，就可以模擬飽和狀態(tài)8導(dǎo)電桿中最值得注意的電流效應(yīng)是感生電流的非均勻性桿中心桿外半徑(m)9集膚效應(yīng)是由Amps定律和Faradays定律耦合而產(chǎn)生無源、半平面導(dǎo)體電場每隔如下厚度衰減1/e：

δ=(πμσf)-1/2(m)式中μ=磁導(dǎo)率=μrμ0σ=電導(dǎo)率=1/ρ

=電阻率(Ohm-m)f=頻率(Hz)10導(dǎo)電桿桿取下下列數(shù)數(shù)據(jù):μ=100μ0μ0=1.2566E-6(H/m)ρ=2E-7(Ohm-m)f=100(Hz)代入,δ=[(3.1415)(100)(1.2566E-6)(.5E+7)(100)]-1/2δ=.0023mδ=2.3mm與圖形形相對(duì)對(duì)應(yīng)，，從外外半徑徑（7.7mm））向內(nèi)2.3mm，，由于軸軸對(duì)稱稱形狀狀的影影響，，電流流衰減值大大于表面面電流值值的1/e(2.71)。。11

模擬交流狀狀態(tài)，有三三種基本物物理考慮(1)模擬施加到到線圈/導(dǎo)電電桿上的功功率的方法法施加電流邊邊界條件已知電流值值致動(dòng)器感應(yīng)加熱施加電壓邊邊界條件不知道電流流值電機(jī)施加了任意意載荷的非非理想變壓壓器12(2)導(dǎo)電體類型型絞線型導(dǎo)體體:導(dǎo)體是否細(xì)細(xì)到足以忽忽略渦流效效應(yīng)的影響響?（渦渦流效應(yīng)以以非均勻的的方式重新新分布電流流）典型應(yīng)用:變壓器繞組組電機(jī)繞組致動(dòng)器繞組13塊導(dǎo)體:導(dǎo)體大到足足以允許渦渦流的產(chǎn)生生。場量和電流流的峰值在在一個(gè)或多多個(gè)面上會(huì)會(huì)重新分布布典型應(yīng)用:變壓器中的的大導(dǎo)體鼠籠電機(jī)導(dǎo)導(dǎo)電桿感應(yīng)加熱14BSUM(T)MX電流密度幅幅值(A/m2)MX導(dǎo)電桿在絞線圈內(nèi)內(nèi)的圓柱形形導(dǎo)電桿上上能觀察到到渦流效應(yīng)應(yīng)15(3)終終端條件終端短路條條件:導(dǎo)體間是否否在端部連連接以允許許電流在導(dǎo)導(dǎo)體之間流流過?三維導(dǎo)體終終端連接二維模型16端部短路條條件—不用用任何對(duì)稱稱條件，只只模擬導(dǎo)體體一部分:三維導(dǎo)體終終端連接部分導(dǎo)體不不建模二維模型17端部開路條條件:導(dǎo)體端部是是否分開以以至于電流流不能在導(dǎo)導(dǎo)體之間流流過?三維導(dǎo)體在在終端開路路二維模型18材料性質(zhì):要模擬渦流流，需另外外提供的材材料性質(zhì)是是電阻率(RSVX)單位：歐姆姆-米某些單元類類型選項(xiàng)要要求定義電電阻率，可可參考單元元選項(xiàng)的幫幫助文檔RSVX可以是的溫溫度的函數(shù)數(shù)19如何模擬疊疊片鐵芯?疊片允許使使用可導(dǎo)磁磁的材料，，但無損于于鐵芯中渦渦流的發(fā)展展?？墒牵珺H數(shù)據(jù)和磁導(dǎo)導(dǎo)率是頻率率、疊片材材料和疊片片厚度的函函數(shù)。通常，如果果存在空氣氣隙，就可可不需要考考慮迭層系系數(shù)。如果果需要考慮慮的話，迭迭層系數(shù)效效應(yīng)包含在在磁導(dǎo)率數(shù)數(shù)值內(nèi)。20迭片平行于磁磁通:μeff=S(μμr-1)+1式中μr=迭片磁導(dǎo)率S=Wi/(Wi+Wa)Wi=一個(gè)迭片厚度度Wa=迭片之間非導(dǎo)導(dǎo)磁材料厚度度疊片磁通方向21迭片垂直于磁磁通:μeff=μr/[μr-S(μr-1)]式中μr=迭片磁導(dǎo)率S=Wi/(Wi+Wa)Wi=單個(gè)迭片厚度度Wa=迭片之間非導(dǎo)導(dǎo)磁材料厚度度磁通方向疊片22應(yīng)用:電電機(jī)槽內(nèi)導(dǎo)體體問題描述平面導(dǎo)體為電流供供電導(dǎo)體為塊導(dǎo)體體導(dǎo)體和空氣都都在磁導(dǎo)率無無限大的槽內(nèi)內(nèi)分析順序建模加邊界條件執(zhí)行模擬后處理磁力線功率損失導(dǎo)體空氣鐵23性質(zhì)導(dǎo)體:μr=1ρ=17.1μμΩ-mm空氣:μr=1槽材料:完完全導(dǎo)磁磁材料勵(lì)磁1安培(峰值)交流電流初始相位為0度空氣鐵導(dǎo)體24因?yàn)殡娏骷釉谠谡麄€(gè)導(dǎo)體截截面上，要求求VOLT自由度耦合建立兩種單元元類型空氣為1號(hào)單單元類型導(dǎo)體為2號(hào)單單元類型，具具有VOLT自由度Preproc>elementtype>add/edit/delete導(dǎo)體為2號(hào)單單元類型平面選擇OK25建立空氣材料料(MURX=1)性質(zhì)（1號(hào)材料）Preproc>materialprops>isotropic(用Apply來選擇)建立導(dǎo)體材料料(MURX=1andRSVX=17.1E-9)性質(zhì)（2號(hào)材材料）Preproc>materialprops>isotropic選擇OK26為建模輸入?yún)?shù)A=6.45mmB=8.55mmC=8.45mmD=18.85mmE=8.95mm用二者之一1)窗口命令2)Utility>parameter>scalar輸入?yún)?shù)后選選擇Accept27選擇Apply建立導(dǎo)體上半半部份建立導(dǎo)體下半半部份Preproc>create>rectangle>bydimensions把上下導(dǎo)體連連成一個(gè)平面面Preproc>operate>add>areas[PickAll]28建空氣間隙利用glue操作連接兩個(gè)個(gè)平面Preproc>operate>glue>areas選擇PickAll選擇OK29空氣區(qū)域?qū)傩孕缘娜笔≈禐闉?號(hào)材料和和1號(hào)單元給導(dǎo)體賦屬性性Preproc>-Attributes-define>pickedareas(選擇導(dǎo)體)選擇OK30生成網(wǎng)格Preproc>mesh>-areas-freemesh選擇PickAll打開材料號(hào)顯顯示31模擬端部條件件需要耦合電電壓（VOLT）自由度選擇導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)點(diǎn)32進(jìn)行耦合Preproc>coupling/ceqn>coupleDOFs耦合顯示符號(hào)號(hào)主節(jié)點(diǎn)選擇OK33空氣隙上部加加通量平行條條件Preproc>loads>apply>boundary>fluxpar‘‘l>onlines34利用.001系數(shù)來縮放模模型，使其單單位制從毫米米變化到米選擇整個(gè)模型型Preproc>operate>scale>areas選擇OK35給導(dǎo)體加峰值值電流（安培培）Preproc>loads>apply>-electric-excitation>onkeypoints選取導(dǎo)體的任任一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)點(diǎn)給該點(diǎn)加上1安培峰值電電流選擇諧波分析析類型Solution>newanalysis(選擇Harmonic)36設(shè)置分析的交交變頻率Solution>time/frequenc>freq&substeps終止頻率率：允許許模擬多多個(gè)頻率率多個(gè)頻率率模擬時(shí)時(shí)，確保保相同頻頻率激勵(lì)勵(lì)確定（模模擬）中中間頻率率分段數(shù)數(shù)37進(jìn)行模擬擬Utility>select>everythingSolution>currentLS選擇OK38后處理可可處理兩兩個(gè)解檢察外加加電流時(shí)時(shí)的同相相場(實(shí)數(shù)解解)Postproc>byloadstep>選擇OK39電流分布布選擇導(dǎo)體體Postproc>elec&magcalc>current對(duì)于實(shí)數(shù)數(shù)解磁力線圖圖示Postproc>plotresults>2Dfluxlines40利單元表表數(shù)據(jù)JT（（實(shí)數(shù)解））看電流流等值圖圖Postproc>plotresults>elemtable41檢察與外外加電流流相差90度相相位的場場量（虛虛數(shù)解））Postproc>byloadstep>選擇OK42磁力線圖圖示Postproc>plotresults>2Dfluxlines電流分布布選擇導(dǎo)體體Postproc>elec&magcalc>current虛數(shù)解43Postproc>plotresults>elemtable(虛數(shù)解)選擇OK44計(jì)算導(dǎo)體體中的功功率損失失Postproc>elec&magcalc>powerloss功率損失失為單位位導(dǎo)體長長度結(jié)果以參參數(shù)方式式貯存，，可用命命令Utility>>parameter>scalar來觀察45圖示功率率損失Postproc>plotresults>elemtable(PLOSSD)選擇OK46應(yīng)用實(shí)例例:帶帶圓環(huán)環(huán)的交流流致動(dòng)器器例題描述述軸對(duì)稱加載電壓壓絞線型線線圈屏蔽極是是一個(gè)圓圓環(huán)分析順序序建模加邊界條條件和載載荷進(jìn)行模擬擬后處理時(shí)間平均均力屏蔽極功功率損失失線圈阻抗抗Z=V/I=Re+jRi47Units:m材料性質(zhì)質(zhì):線圈:銅銅直流電阻阻:12Ω400匝,32線線徑ρ=17.1μμΩ-mm銅環(huán):μr=1ρ=17.1μμΩΩ-mm空氣:μr=1定子和和銜鐵鐵:鐵素體體μr=1000ρ>1ΩΩ-m勵(lì)磁:24VRMSAC模型:軸對(duì)稱稱48物理區(qū)區(qū)域描描述屏蔽極極圓環(huán)是是連續(xù)續(xù)的截面電電流不不為零零.線圈線圈由由小于于32線徑徑導(dǎo)線線組成成，細(xì)細(xì)絞線線忽略略集膚膚效應(yīng)應(yīng).鐵芯區(qū)區(qū)(銜鐵鐵和定定子)導(dǎo)磁電阻太太大而而不計(jì)計(jì)渦流流.49利用acsolen.mac宏建模模未圖示示空氣氣單元元線圈屬屬性單元類類型:設(shè)置2號(hào)單單元(Plane53)線圈要要求電電壓供供電實(shí)常數(shù)數(shù)設(shè)置置設(shè)置4要求相相應(yīng)于于直流流電阻阻12歐姆姆的線線圈400匝50屏蔽環(huán)環(huán)屬性性連續(xù)圓圓環(huán)：：短路路狀態(tài)態(tài)單元類類型:1號(hào)單元元(Plane53)材料設(shè)置4電阻率RSVX定子（非導(dǎo)導(dǎo)體）單元類型:1號(hào)單元(Plane53)材料號(hào)2銜鐵（非導(dǎo)導(dǎo)體）單元類型:1號(hào)單元(Plane53)材料號(hào)3Shadingring51為了確定自自由度，可可查詢HelpUtility>Help>TofC>analysisguide>Electromagnetic>Harmonic52確定定線線圈圈單單元元類類型型選選項(xiàng)項(xiàng)Preproc>elementtype>add/edit/dele>選擇OK選擇Options53空氣定子銜鐵線圈屏蔽圓環(huán)證實(shí)材料性質(zhì)質(zhì)54建立電阻為12歐姆、400匝的軸軸對(duì)稱線圈的的實(shí)常數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)實(shí)常數(shù)數(shù)據(jù)要要求:線圈模型橫截截面(Ac)單位:m2線圈匝數(shù)（400）填充系數(shù)(CF)CF=Aw/AcAw=銅線總截面積積（不包括絕絕緣層）單位:m255將面積輸入?yún)?shù)ACONDUtility>parameters>getscalar選擇OK求得線圈的截截面積選擇線圈平面面計(jì)算線圈截面面積Preproc>operate>calcgeomitems>ofareas>OK56輸入?yún)?shù)名選擇OK由Utility>parameters>scalar菜單證實(shí)參數(shù)數(shù)57線圈填充系數(shù)數(shù)必須由匝數(shù)數(shù)、電阻率和和面積組成，，從而得12歐姆的線圈圈直流電阻軸對(duì)稱矩形線線圈填充系數(shù)數(shù)Cf表達(dá)式為式中ρ=.17241E-7N=400Ac=ACOND參數(shù)Xc=線圈橫截面質(zhì)質(zhì)心徑向距離離質(zhì)心徑向尺寸寸Xc可輸入XCOND參數(shù)

2πρXcN2

AcRcoilCf=58Utility>parameters>getscalar選擇OK選擇OK輸入?yún)?shù)名59選擇Accept線圈填充系數(shù)數(shù)CF由Utility>parameters菜單計(jì)算許多致動(dòng)器設(shè)設(shè)計(jì)都在同一一窗口并聯(lián)多多個(gè)線圈，如如果只對(duì)一個(gè)個(gè)線圈進(jìn)行模模擬，則只要要求建立這一一個(gè)線圈的模模型，這導(dǎo)致致填充系數(shù)看看起來很低60假設(shè)線線徑和和匝數(shù)數(shù)已選選定（（線圈圈電阻阻未知知）查找本本線規(guī)規(guī)的總總截面面積線徑32，，Aw=.0324mm2Cf=銅的總總截面面積/線圈圈截面面積Cf=400(.0324)(1E-6)/6.6E-5=.19661為線圈圈建立立4號(hào)號(hào)實(shí)常常數(shù)Preproc>realconstants選擇Add選擇OK62輸入線線圈實(shí)實(shí)常數(shù)數(shù)數(shù)值值，選擇OK應(yīng)用下下列菜菜單列列出實(shí)實(shí)常數(shù)數(shù)Utility>list>properties>allrealconstants63線圈區(qū)區(qū)域需需要對(duì)對(duì)全部部節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的CURR自由度度值相相同（（由于于電流流守恒恒，流流進(jìn)線線圈的的電流流必須須等于于流出出的電電流值值）線圈區(qū)區(qū)域耦耦合節(jié)節(jié)點(diǎn)選擇線線圈區(qū)區(qū)域全全部節(jié)節(jié)點(diǎn)Preproc>coupling>coupleDOFPickAll選擇OK必須是是一個(gè)個(gè)新的的設(shè)置置參數(shù)數(shù)號(hào)64利用APDL可以獲獲得當(dāng)當(dāng)前的的最大大耦合合設(shè)置置號(hào)Utility>parameters>getscalardata輸入?yún)?shù)數(shù)名選擇OK輸入的耦耦合組號(hào)號(hào)應(yīng)是CP_MX+1選擇OK65加上電壓壓勵(lì)磁Preproc>loads>apply>-voltagedrop-onareas選擇線圈圈區(qū)域（（面積））選擇OK峰值電壓壓66沿模型邊邊緣加通通量平行行邊界條條件Preproc>apply>boundary>-fluxpar‘l-onlines選擇模型型邊緣上上的全部部線銜鐵組件件施加力力標(biāo)志Preproc>apply>flag>comp.force選擇OK67選擇分析析類型，，進(jìn)行模模擬Solu>newanalysis選取諧波波分析設(shè)置激勵(lì)勵(lì)頻率（（60Hz）Solu>time/frequenc>freq&substps選擇OK開始求解解Solu>solvecurrentls選擇OK68AC模擬實(shí)際際上可得得兩組結(jié)結(jié)果數(shù)據(jù)據(jù)節(jié)點(diǎn)和單單元的與與激勵(lì)同同相的場場量結(jié)果果（實(shí)數(shù)數(shù)解）節(jié)點(diǎn)和單單元的與與激勵(lì)相相差90度相位位的場量量結(jié)果（（虛數(shù)解解）讀入虛數(shù)數(shù)解Postproc>byloadstep...選擇OK69得到虛數(shù)數(shù)解磁力力線（虛數(shù)部分分場量為為缺省條條件)Postproc>plotresults>2Dfluxlines在氣隙和和銅環(huán)附附近的BSUM(總磁通密密度)70實(shí)數(shù)部分分磁力線線加載實(shí)數(shù)數(shù)解結(jié)果果.Postproc>byloadstep選擇OK71與電壓激激勵(lì)同項(xiàng)項(xiàng)的場量量結(jié)果（（實(shí)數(shù)解解）在銅環(huán)和氣氣隙區(qū)附近近的BSUM7