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第三章 第1节

第三章 第1节. 2- D 交流和瞬态分析. 交流模拟的基本概念. 交流模拟是一种随时间变化的模拟 假定励磁为正弦波. 励磁电压 ( V) 电流密度 ( A/m 2 ). 角 (度 ). 可用两个场分量来表示 电相角为0场分量 电相角为90场分量 考虑一个导电杆 在一个绞线线圈中. 二维轴对称有限元模型. 通量平行条件. 导电杆. 绞线圈. 电流密度: 1 E6 A/m 2 频率: 100 Hz. 通量垂直条件. 二种求解结果: 实数解: 线圈励磁相位0度 虚数解：相位差90度. 实数解. 虚数解.

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第三章 第1节

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Presentation Transcript

  1. 第三章第1节 2-D交流和瞬态分析

  2. 交流模拟的基本概念 • 交流模拟是一种随时间变化的模拟 • 假定励磁为正弦波 励磁电压 (V) 电流密度 (A/m2) 角 (度)

  3. 可用两个场分量来表示 • 电相角为0场分量 • 电相角为90场分量 • 考虑一个导电杆 • 在一个绞线线圈中

  4. 二维轴对称有限元模型 通量平行条件 导电杆 绞线圈 电流密度: 1E6 A/m2 频率: 100Hz 通量垂直条件

  5. 二种求解结果: • 实数解: 线圈励磁相位0度 • 虚数解：相位差90度 实数解 虚数解

  6. 利用这两种求解结果，任何时间处的场量都能用迭加的方法来生成利用这两种求解结果，任何时间处的场量都能用迭加的方法来生成 执行动画文件：acaz.avi观察场动画

  7. 根据Faradays 定律，线圈中的时变电流会在导体中感生电流 执行动画文件acjt.avi ，观察电流动画

  8. 其他假定 • 模拟只考虑感应效应 • Faradays定律 • 在绞线圈中感生电流 • 在大导体内电流会重新分布 • 不考虑射频效应 • 模拟是线性的 • 几何体不变 • 保持均匀性条件 • 如果用BH曲线描述材料性质，就可以模拟饱和状态

  9. 导电杆中最值得注意的电流效应是感生电流的非均匀性导电杆中最值得注意的电流效应是感生电流的非均匀性 杆外半径 (m) 杆中心

  10. 集肤效应是由Amps 定律和Faradays定律耦合而产生 • 无源、半平面导体电场每隔如下厚度衰减1/ e： δ = (π μ σ f) -1/2 (m) 式中 μ = 磁导率 = μr μ0 σ = 电导率= 1 /ρ=电阻率 (Ohm-m) f = 频率(Hz)

  11. 导电杆取下列数据: • μ = 100μ0 • μ0 = 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)] -1/2 • δ =.0023 m • δ =2.3 mm • 与图形相对应，从外半径（7.7mm）向内2.3mm，由于轴对称形状的影响，电流衰减值大于表面电流值的1/e (2.71) 。

  12. 模拟交流状态，有三种基本物理考虑 (1) 模拟施加到线圈/导电杆上的功率的方法 • 施加电流边界条件 • 已知电流值 • 致动器 • 感应加热 • 施加电压边界条件 • 不知道电流值 • 电机 • 施加了任意载荷的非理想变压器

  13. (2) 导电体类型 绞线型导体: 导体是否细到足以忽略涡流效应的影响? （涡流效应以非均匀的方式重新分布电流） 典型应用: 变压器绕组 电机绕组 致动器绕组

  14. 块导体: 导体大到足以允许涡流的产生。 场量和电流的峰值在一个或多个面上会重新分布 • 典型应用: • 变压器中的大导体 • 鼠笼电机导电杆 • 感应加热

  15. 在绞线圈内的圆柱形导电杆上能观察到涡流效应在绞线圈内的圆柱形导电杆上能观察到涡流效应 导电杆 BSUM (T) 电流密度幅值 (A/m2) MX MX

  16. (3) 终端条件 终端短路条件: 导体间是否在端部连接以允许电流在导体之间流过 ? 三维导体终端连接 二维模型

  17. 端部短路条件—不用任何对称条件，只模拟导体一部分:端部短路条件—不用任何对称条件，只模拟导体一部分: 三维导体终端连接 部分导体不建模 二维模型

  18. 端部开路条件: 导体端部是否分开以至于电流不能在导体之间流过? 三维导体在终端开路 二维模型

  19. 材料性质: • 要模拟涡流，需另外提供的材料性质是电阻率( RSVX) 单位：欧姆-米 • 某些单元类型选项要求定义电阻率，可参考单元选项的帮助文档 • RSVX可以是的温度的函数

  20. 如何模拟叠片铁芯 ? 叠片允许使用可导磁的材料，但无损于铁芯中涡流的发展。 可是， BH数据和磁导率是频率、叠片材料和叠片厚度的函数。 通常，如果存在空气隙，就可不需要考虑迭层系数。如果需要考虑的话，迭层系数效应包含在磁导率数值内。

  21. 磁通方向 • 迭片平行于磁通: μeff = S (μr - 1 ) + 1 式中 μr = 迭片磁导率 S = Wi/(Wi+Wa) Wi = 一个迭片厚度 Wa = 迭片之间非导磁材料厚度 叠片

  22. 迭片垂直于磁通: μeff = μr / [μr - S (μr - 1 ) ] 式中 μr = 迭片磁导率 S = Wi/(Wi+Wa) Wi = 单个迭片厚度 Wa = 迭片之间非导磁材料厚度 磁通方向 叠片

  23. 应用: 电机槽内导体 • 问题描述 • 平面 • 导体为电流供电 • 导体为块导体 • 导体和空气都在磁导率无限大的槽内 • 分析顺序 • 建模 • 加边界条件 • 执行模拟 • 后处理 • 磁力线 • 功率损失 空气 铁 导体

  24. 性质 导体: μr = 1 ρ = 17.1 μΩ-mm 空气: μr = 1 槽材料: 完全导磁材料 励磁 1 安培(峰值)交流电流 初始相位为0度 空气 铁 导体

  25. 因为电流加在整个导体截面上，要求VOLT 自由度耦合 • 建立两种单元类型 • 空气为1号单元类型 • 导体为2号单元类型，具有VOLT 自由度 • Preproc>element type>add/edit/delete 导体为2号单元类型 平面 • 选择OK

  26. 建立空气材料(MURX =1) 性质（1号材料） Preproc>material props>isotropic (用Apply 来选择) • 建立导体材料(MURX =1 and RSVX=17.1E-9) 性质（2号材料） Preproc>material props>isotropic • 选择OK

  27. 为建模输入参数 • A = 6.45 mm • B = 8.55 mm • C = 8.45 mm • D = 18.85 mm • E = 8.95 mm 用二者之一 1) 窗口命令 2) Utility>parameter>scalar 输入参数后选择Accept

  28. 建立导体下半部份 • Preproc> create>rectangle>by dimensions • 选择Apply • 建立导体上半部份 • 把上下导体连成一个平面 • Preproc>operate>add>areas [Pick All]

  29. 建空气间隙 • 选择OK • 利用glue 操作连接两个平面 • Preproc>operate>glue>areas • 选择Pick All

  30. 空气区域属性的缺省值为1号材料和1号单元 • 给导体赋属性 • Preproc>-Attributes-define>picked areas • (选择导体) • 选择OK

  31. 生成网格 Preproc>mesh>-areas-free mesh 选择Pick All 打开材料号显示

  32. 模拟端部条件需要耦合电压（VOLT）自由度 • 选择导体节点

  33. 进行耦合 Preproc>coupling/ceqn>couple DOFs • 选择OK 主节点 耦合显示符号

  34. 空气隙上部加通量平行条件 Preproc>loads>apply>boundary>flux par‘l>on lines

  35. 利用.001系数来缩放模型，使其单位制从毫米变化到米利用.001系数来缩放模型，使其单位制从毫米变化到米 • 选择整个模型 Preproc>operate>scale>areas • 选择OK

  36. 给导体加峰值电流（安培） Preproc>loads>apply>-electric-excitation>on keypoints • 选取导体的任一个关键点 • 给该点加上1安培峰值电流 • 选择谐波分析类型 • Solution>new analysis • (选择Harmonic)

  37. 设置分析的交变频率 Solution>time/frequenc>freq & substeps 终止频率：允许模拟多个频率 多个频率模拟时，确保相同频率激励 确定（模拟）中间频率分段数

  38. 进行模拟 Utility>select>everything Solution>current LS • 选择 OK

  39. 后处理可处理两个解 • 检察外加电流时的同相场 (实数解 ) Postproc>by load step> • 选择OK

  40. 对于实数解 • 电流分布 • 选择导体 • Postproc>elec&mag calc>current • 磁力线图示 Postproc>plot results> • 2D flux lines

  41. 利单元表数据JT （实数解）看电流等值图 Postproc>plot results>elem table

  42. 检察与外加电流相差90度相位的场量（虚数解）检察与外加电流相差90度相位的场量（虚数解） Postproc>by load step> • 选择OK

  43. 磁力线图示 Postproc>plot results> 2D flux lines 虚数解 • 电流分布 • 选择导体 • Postproc>elec&mag calc>current

  44. Postproc>plot results>elem table (虚数解) • 选择OK

  45. 计算导体中的功率损失 Postproc>elec&mag calc>power loss 结果以参数方式贮存，可用命令 Utility>>parameter>scalar来观察 功率损失为单位导体长度

  46. 图示功率损失 Postproc>plot results>elem table (PLOSSD) • 选择OK

  47. 应用实例: 带圆环的交流致动器 • 例题描述 • 轴对称 • 加载电压 • 绞线型线圈 • 屏蔽极是一个圆环 • 分析顺序 • 建模 • 加边界条件和载荷 • 进行模拟 • 后处理 • 时间平均力 • 屏蔽极功率损失 • 线圈阻抗 Z = V / I = Re + jRi

  48. Units: m 材料性质: 线圈: 铜 直流电阻: 12 Ω 400 匝, 32 线径 ρ = 17.1 μΩ-mm 铜环: μr = 1 ρ = 17.1 μΩ-mm 空气: μr = 1 定子和衔铁: 铁素体 μr = 1000 ρ > 1 Ω-m 励磁: 24 V RMS AC 模型: 轴对称

  49. 物理区域描述 • 屏蔽极 圆环是连续的 截面电流不为零. • 线圈 线圈由小于32线径导线组成，细绞线忽略集肤效应. • 铁芯区 (衔铁和定子) 导磁 电阻太大而不计涡流.

  50. 利用acsolen.mac宏建模 • 未图示空气单元 • 线圈属性 • 单元类型: • 设置2号单元(Plane53) • 线圈要求电压供电 • 实常数设置 • 设置 4 • 要求相应于直流电阻12欧姆的线圈 • 400 匝

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