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ANSYS电磁场分析指南（共17章）ANSYS电磁场分析指南第一章磁场分析概述：ANSYS电磁场分析指南第二章 2-D静态磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第三章２-Ｄ谐波（ＡＣ）磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第四章２-Ｄ瞬态磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第五章３-Ｄ静态磁场分析（标量法）：ANSYS电磁场分析指南第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边元方法）：ANSYS电磁场分析指南第七章３-Ｄ谐波磁场分析（棱边单元法）：ANSYS电磁场分析指南第八章３-D瞬态磁场分析（棱边单元法）：ANSYS电磁场分析指南第九章 3-D静态、谐波和瞬态分析（节点法）：ANSYS电磁场分析指南第十章高频电磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第十一章磁宏：ANSYS电磁场分析指南第十二章远场单元：ANSYS电磁场分析指南第十三章电场分析：ANSYS电磁场分析指南第十四章静电场分析（h方法）：ANSYS电磁场分析指南第十五章静电场分析（P方法）：ANSYS电磁场分析指南第十六章电路分析：ANSYS电磁场分析指南第十七章其它分析选项和求解方法：第一章磁场分析概述1.1磁场分析对象利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模块中的电磁场分析功能，ANSYS可分析计算下列的设备中的电磁场，如：·电力发电机·磁带及磁盘驱动器·变压器·波导·螺线管传动器·谐振腔·电动机·连接器·磁成像系统·天线辐射·图像显示设备传感器·滤波器·回旋加速器在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为：·磁通密度·能量损耗·磁场强度·磁漏·磁力及磁矩· S-参数·阻抗·品质因子Q·电感·回波损耗·涡流·本征频率存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场。
第八章３-D瞬态磁场分析（棱边单元法）8.1 用棱边元方法进行3-D瞬态分析用棱边元方法进行3-D瞬态分析的步骤与下一章的用MVP方法进行瞬态分析的步骤大体一样，只不过它们使用不同的自由度和运算法则，棱边元方法使用Frontal、sparse、JCG和ICCG求解器。
参见《ANSYS基本过程手册》中求解器的详细介绍。
ANSYS支持3D静态、时谐、瞬态棱边单元分析。
前面两章讨论的是静态和时谐分析，本章讨论瞬态分析。
8.2 3-D瞬态磁场分析（棱边元方法）的步骤1. 在GUI菜单过滤中选定Magnetic-Edge项2. 定义任务名和题目 命令：/FILNAME和/TITLEGUI:Utility Menu>File>Change JobnameUtility Menu>File>Change Title3. 进入ANSYS前处理器 命令：/PREP7GUI:Main Menu>Preprocessor4. 选择SOLID117单元 命令：ET,solid117GUI:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete5. 定义SOLID117单元选项 对导电区用AZ-VOLT自由度，对不导电区用AZ自由度。
命令：KEYOPTGUI:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete与第七章“谐波分析”描述的类似6．定义材料特性 对涡流区必须说明电阻值RSVX，材料定义的过程详见第二章。
7．建立模型 用Main Menu>Preprocessor>-Modeling-界面。
8. 赋予特性 命令：VATT GUI: Main menu>Preprocessor>-Attributes-Define9. 划分网格（用Mapped网格） 命令：VMESH GUI:Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Volumes-Mapped10. 进入求解器 命令：/SOLUGUI:Main Menu>Solution11．给模型边界加磁力线平行和磁力线垂直边界条件 命令：DAGUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Boundary用AZ=0来模拟磁力线平行边界条件，磁力线垂直边界条件是自然边界条件，无需说明。
第五章３-Ｄ静态磁场分析（标量法）5.1 在3-D静态磁场分析（标量法）中要用到的单元表1三维实体单元：表2三维界面单元表3三维连接单元表4三维远场单元SOLID96和SOLID97是磁场分析专用单元，SOLID62、SOLID5和SOLID98更适合于耦合场求解。
5.2 磁标量位（MSP）法介绍在磁标量位方法中，可使用三种不同的分析方法：简化标势法(RSP)、差分标势法(DSP)和通用标势(GSP)法。
·若模型中不包含铁区，或有铁区但无电流源时，用RSP法。
若模型中既有铁区又有电流源时，就不能用这种方法。
·若不适用RSP法，就选择DSP法或GSP法。
DSP法适用于单连通铁区，GSP法适用于多连通铁区。
5.2.1 单连通区与多连通区单连通铁区是指不能为电流源所产生的磁通量提供闭合回路的铁区，而多连通铁区则可以构成闭合回路。
参见图1(a)、(b)“连通域”。
数学上，通过安培定律来判断单连通区或是多连通区，即磁场强度沿闭合回路的积分等于包围的电流（或是电动势降MMF）。
因为铁的磁导率非常大，所以在单连通区域中的MMF降接近于零，几乎全部的MMF降都发生在空气隙中。
但在多连通区域中，无论铁的磁导率如何，所有的MMF降都发生在铁芯中。
5.3 3-D静态磁标势分析的步骤该分析类型与2－D静态分析的步骤基本一样：1.建立物理环境2.建模、给模型区域赋属性和分网格3.加边界条件和载荷（激励）4.用RSP、DSP或GSP方法求解5.观察结果5.3.1创建物理环境首先设置分析参数为“Magnetic-Nodal”，并给出分析题目。
然后用ANSYS前处理器定义物理环境包含的项目。
即单元类型、KEYOPT选项、材料特性等。
3D分析的大部分过程与2D分析一致，本章下面部分介绍3D分析中要特殊注意的事项。
· SOLID96单元可为模型所有的内部区域建模，包括：饱和区、永磁区和空气区（自由空间）。
第六章 矢量有限元法引起伪解的原因有多种：①由于未强加矢量函数的散度条件而引起；②材料界面和导体表面强加边界条件不方便；③导体和介质边缘及角等结构的奇异性引起的。
矢量有限元是给单元的棱边赋予自由度，取代结点自由度，也称棱边元、矢量元。
上个世纪60年代就有人提出过这些类型的单元，但它们在电磁场的应用及其重要性直到上个世纪80年代才被认识到。
棱边元可以有效地消除伪解问题，一开始它被应用于解电磁散射中的电场积分方程的解中，后来被用于有限元解中。
下面介绍最基本的矢量有限元法或称棱边单元法，它适用于无通量源的区域，即场量的散度为零的区域。
§6－1 二维棱边元从最简单的矩形单元入手介绍棱边元的概念。
6.1.1 矩形单元单元的每一棱边赋予一个不变的切向场分量，e x E 1，ex E 2分别是棱边1和2的电场x E 分量，e y E 1，e y E 2分别是棱边3和4的电场y E 分量，e ce c y x ,是矩形单元的中点，e x E 、e y E 分别是沿y 、x 方向上的线性插值（这里，E 可以代表其它未知函图6-1 矩形棱单元 数，不一定是电场）。
那么，单元中任一点的场为 112121y y E E y y E E ex e x e x e x --=-- ，y c l y y 211-= ，y c l y y 212+=，整理得到： e x ey e c e y e x ey e c eyex E l y y l E y l y l E 212121⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+= (6-1) e y e x e c ex e y ex e c exe yE l x x l E x l x l E 212121⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+= (6-2) 写成矢量形式∑==41i e i e i eE N E (6-3)式中，e i E 表示沿第i 个棱边的切向场分量，e i N 是矢量插值函数，也称矢量基函数，它们由下面公式给出⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=y ex ec e x e y e x e c e x e xey e c e y e x e y e c e y e l x x l x l x l l y y l y l y l e N , e N e N , e N 212121214321 (6-4)矢量基函数具有与前述基函数相同的性质：基函数的重要性：（类似于有限元节点法）（1）当场点在第i 边上，只有e i N 有切向分量，在其它所有边都等于零，即棱边i 上的场量不受其它棱边场量的影响，所以，切向场的连续性得到了保证。
第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边单元方法）6.1何时使用棱边元方法在理论上，当存在非均匀介质时，用基于节点的连续矢量位A来进行有限元计算会产生不精确的解，这种理论上的缺陷可通过使用棱边元方法予以消除。
这种方法不但适用于静态分析，还适用于谐波和瞬态磁场分析。
在大多数实际3-D分析中，推荐使用这种方法。
在棱边元方法中，电流源是整个网格的一个部分，虽然建模比较困难，但对导体的形状没有控制，更少约束。
另外也正因为对电流源也要划分网格，所以可以计算焦耳热和洛伦兹力。
用棱边元方法分析的典型使用情况有：·电机·变压器·感应加热·螺线管电磁铁·强场磁体·非破坏性试验·磁搅动·电解装置·粒子加速器·医疗和地球物理仪器《ANSYS理论手册》不同章节中讨论了棱边单元的公式。
这些章节包括棱边分析方法的概述、矩阵列式的讨论、棱边方法型函数的信息。
对于ANSYS的SOLID117棱边单元，自由度是矢量位A沿单元边切向分量的积分。
物理解释为：沿闭合环路对边自由度（通量）求和，得到通过封闭环路的磁通量。
正的通量值表示单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号（由单元边连接）。
磁通量方向由封闭环路的方向根据右手法则来判定。
在ANSYS中，AZ表示边通量自由度，它在MKS单位制中的单位是韦伯（Volt·Secs），SOLID117是20节点六面体单元，它的12个边节点（每条边的中间节点）上持有边通量自由度AZ。
单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号。
在动态问题中，8个角节点上持有时间积分电势自由度VOLT。
ANSYS程序可用棱边元方法分析3-D静态、谐波和瞬态磁场问题。
（实体模型与其它分析类型一样，只是边界条件不同），具体参见第7章，第8章。
6.2单元边方法中用到的单元表 1三维实体单元 单元 维数 形状或特性自由度 SOLID117 3-D六面体, 20 节点中间边节点处的边通量AZ ，角节点处的电标势VOLT6.3物理模型区域的特性与设置对于包括空气、铁、永磁体、源电流的静态磁场分析模型，可以通过设置不同区域不同材料特性来完成。
参见下表，详情在后面部分叙述。
空气DOF: AZ材料特性：m r (MURX)铁DOF: AZ材料特性：m r (MURX)或B-H 曲线(TB 命令)永磁体DOF: AZ材料特性：m r (MURX)或B-H 曲线(TB 命令)，Hc(矫顽力矢量MGXX,MGYY,MGZZ)注：永磁体的极化方向由矫顽力矢量和单元坐标系共同控制。
载流绞线型线圈（见下图） DOF: AZ 材料特性：m r (MURX) 特殊特性：加源电流密度JS(用BFE,,JS 命令)6.4用棱边单元方法进行静态分析的步骤用棱边元方法进行静态磁场分析的步骤如下：1.在GUI菜单过滤项中选定Magnetic-Edge项。
GUI: Main Menu>Preferences>Electromagnetics:Magnetic-Edge2.定义任务名和题目。
命令：/FILNAME和/TITLEGUI:Utility Menu>File>Change JobnameUtility Menu>File>Change Title3.进入ANSYS前处理器。
命令：/PREP7GUI:Main Menu>Preprocessor4.选择SOLID117单元。
命令：ET,,solid117GUI:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete5.定义材料特性（与第二章类似）。
命令：MPGUI:Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models>Electromagnetics>Relative Permeability>Constant命令：TBGUI:Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models>Electromagnetics>BH Curve6.建立模型，用Main Menu>Preprocessor>-Modeling-界面，详见《ANSYS建模与分网指南》。
7.赋予特性。
GUI: Main menu>Preprocessor>-Attributes-Define8.划分网格（用Mapped网格）。
命令：VMESHGUI:Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Volumes-Mapped9.进入求解器。
命令：/SOLUGUI:Main Menu>Solution10.给模型边界加磁力线平行和磁力线垂直边界条件。
命令：DAGUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Boundary用AZ=0来模拟磁力线平行边界条件，磁力线垂直边界条件自然发生，无需说明。
在极少数情况下，说明AZ=0还不足以表明磁力线平行边界条件，在这中情况下，可分别用D命令来指定约束。
11.加电流密度载荷（JS）。
由于电磁分析的连续方程必须满足，所以此处施加的源电流密度必须是无散的（即▽JS=0），这一点必须保证，如果有误，则SOLID117单元会解算出错误结果，并且不给出任何警告信息！在某些情况下，源电流密度的幅值和方向都是恒定的（比如：杆状、弧状电流源），自然满足无散条件，此时就可用下面描述的BFE命令施加电流。
在其它很多复杂情况下，源电流密度的分布事先是不知道的（比如：两个直杆连接处弯形连接段内的电流弯曲），此时就需要先执行一个静态电流传导分析（见第13章），一旦确定下电流，就可以用LDREAD命令将其读入磁场分析中。
通常，直接把源电流密度施加到单元上。
使用下列方式之一：命令：BFE, JSGUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Excitation关于其他加载的更多信息，参看第2章“2D静态磁场分析”。
单元密度由ESYS命令在单元坐标系中设定。
12.为计算作用到导磁体上的Maxwell力和虚功力，先定义组元：命令：CMGUI:Utility Menu>Select>comp/Assembly>Create Component再加表面标志：命令：FMAGBCGUI:Main Menu>Solution-Loads-Apply>-Magnetic-Flag>Comp Force/Torq13.选择静态分析类型。
命令：ANTYPE,static,newGUI:Main Menu>Solution>New Analysis>Static注意：如果是需要重启动一个分析（重启动一个未收敛的求解过程，或者施加了另外的激励），使用命令ANTYPE,STATIC,REST。
如果先前分析的结果文件Jobname.EMAT, Jobname.ESAV, 和Jobname.DB还可用，就可以重启动3-D静态磁场分析。
14.选择求解器，可以使用波前求解器(FRONT) (缺省值)、稀疏求解器(Sparse)、雅可比共厄梯度求解器 (JCG)、及不完全Cholesky 共厄梯度求解器(ICCG)。
用下列方式选择求解器：命令：EQSLVGUI:Main menu>Solution>Analysis Options推荐使用sparse 或ICCG求解器。
15. 选择载荷步选项（参见16章）。
16. 求解，对于非线性分析，采用两步求解：·先斜坡载荷计算3到5子步，每步一次平衡选代·用一个子步计算最后的解，具有5到10次平衡选代当使用棱边单元列式时，在缺省情况下，ANSYS程序先估算待分析区域所有单元和节点。
估算时，把不需要的自由度值设置为零，使计算更快进行：命令：GAUGEGVI:Main Menu >Solution>Load Step Opts –magnetics >–Options Only –Gauging 使用棱边单元做电磁分析必须要求估算，因此，在大多数情况下，不要关闭自动估算。
用下面的命令进行两步求解：命令：MAGSOLV(设置OPT域为0)GUI:Main Menu>-Solution>-Solve-Electromagnet>-Static Analysis-Opt&Solv17. 退出SOLUTION处理器。
命令：FINISHGUI:Main Menu>Finish18．进行后处理，观察结果（后面介绍）。
19．用LMATRIX宏命令计算线圈系统的微分电感矩阵和总的磁链:命令：LMATRIXGUI：Main Menu>Solution>-Solve-Electromagnet>-Static Analysis-Induct Matrix计算电感矩阵需要几个步骤，首先将线圈单元定义为部件，定义名义电流，然后在工作点执行一次名义求解，第11章有详细介绍。
6.5 观察结果ANSYS和ANSYS/Emag程序将静态分析数据结果记入Jobname.RMG文件中，将动态分析数据结果记入Jobname.RST文件中。
数据有二类：·主数据：磁场自由度（AZ,VOLT）·导出数据：·节点磁通量密度（BX,BY,BZ,BSUM）·节点磁场强度（HX,HY,HZ,HSUM）·节点磁力（FMAG: X,Y,Z分量和SUM）·单元总电流密度（JTX,JTY,JTZ）·单位体积生成的焦耳热（JHEAT）·单元磁能（SENE）（仅对线性材料才有效）等等。
关于更多的可利用的数据，参见《ANSYS单元手册》。
可以进入通用后处理器（POST1）中观察结果。
按照如下方式：命令：/POST1GUI: Main Menu>General Postproc6.5.1读入结果数据：3D单元边静态磁场分析与2D静态磁场分析的后处理基本一致。
关于后处理的相关信息参见第2章“2D静态磁场分析”。
后处理常用命令的总结见“3D时谐磁场分析（棱边元方法）”的“观察结果”一节。
6.5.1.1磁力线用通量密度的矢量显示模式观察磁力线路径。
