ANSYS 电磁场分析指南

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ANSYS 电磁场分析指南

ANSYS电磁场分析指南 第二章 2-D静态磁场分析------------------------------------2
ANSYS电磁场分析指南 第三章 ２-Ｄ谐波（ＡＣ）磁场分析----------------------8
ANSYS电磁场分析指南 第四章 ２-Ｄ瞬态磁场分析---------------------------------46
ANSYS电磁场分析指南 第五章 ３-Ｄ静态磁场分析（标量法）------------------95
ANSYS电磁场分析指南 第六章 ３-Ｄ静态磁场分析（棱边元方法）-----------124
ANSYS电磁场分析指南 第七章 ３-Ｄ谐波磁场分析（棱边单元法）-----------160
ANSYS电磁场分析指南 第八章 ３-D瞬态磁场分析（棱边单元法）-----------188
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）-------210
ANSYS电磁场分析指南 第十章 高频电磁场分析------------------------------------220
ANSYS电磁场分析指南 第十一章 磁宏------------------------------------------------237
ANSYS电磁场分析指南 第十二章 远场单元------------------------------------------319
ANSYS电磁场分析指南 第十三章 电场分析------------------------------------------343
ANSYS电磁场分析指南 第十四章 静电场分析（h方法）-------------------------347
ANSYS电磁场分析指南 第十五章 静电场分析（P方法）-------------------------356
ANSYS电磁场分析指南 第十六章 电路分析------------------------------------------421
ANSYS电磁场分析指南 第十七章 其它分析选项和求解方法---------------------448

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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。
1.2ANSYS如何完成电磁场分析计算
ANSYS以 Maxwell方程组作为电磁场分析的出发点。有限元方法计算的未知量（自
由度）主要是磁位或通量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出。根据用户所选择的
单元类型和单元选项的不同，ANSYS计算的自由度可以是标量磁位、矢量磁位或边界通
量。
2
1.3静态、谐波、瞬态磁场分析
利用ANSYS可以完成下列磁场分析：
·2-D静态磁场分析，分析直流电(DC)或永磁体所产生的磁场，用矢量位方程。参见本
书“二维静态磁场分析”
·2-D 谐波磁场分析，分析低频交流电流(AC)或交流电压所产生的磁场，用矢量位方程。
参见本书“二维谐波磁场分析”
·2-D瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，包含永磁体的
效应，用矢量位方程。参见本书“二维瞬态磁场分析”
·3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用标量位方法。参见本书
“三维静态磁场分析（标量位方法）”
·3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用棱边单元法。参见本书
“三维静态磁场分析（棱边元方法）”
·3-D谐波磁场分析，分析低频交流电所产生的磁场，用棱边单元法。建议尽量用这种
方法求解谐波磁场分析。参见本书“三维谐波磁场分析（棱边元方法）”
·3-D 瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，用棱边单元法。
建议尽量用这种方法求解谐波磁场分析。参见本书“三维瞬态磁场分析（棱边元方法）”
·基于节点方法的3-D静态磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法的3-D静态
磁场分析”
·基于节点方法的3-D谐波磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法的3-D谐波
磁场分析”
·基于节点方法的3-D瞬态磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法的3-D瞬态
磁场分析”
1.4关于棱边单元、标量位、矢量位方法的比较
什么时候选择2－D模型，什么时候选择3－D模型？标量位方法和矢量位方法有何
不同？棱边元方法和基于节点的方法求解3-D问题又有什么区别？在下面将进行详细比
较。
1.4.12-D分析和3-D分析比较
3
3-D分析就是用3-D模型模拟被分析的结构。现实生活中大多数结构需要3-D模型来
进行模拟。然而 3-D 模型对建模的复杂度和计算的时间都有较高要求。所以，若有可能，
请尽量考虑用2-D模型来进行建模求解。
1.4.2什么是磁标量位方法？
对于大多数3-D静态分析请尽量使用标量位方法。此方法将电流源以基元的方式单独
处理，无需为其建立模型和划分有限元网格。由于电流源不必成为有限元网格模型中的一
部分，建立模型更容易。标量位方法提供以下功能：
·砖型（六面体）、楔型、金字塔型、四面体单元。
·电流源以基元的方式定义（线圈型、杆型、弧型）
·可含永久磁体激励
·求解线性和非线性导磁率问题
·可使用节点偶合和约束方程
此外，标量位方法中电流源建模简单，因为用户只需在合适的位置施加电流源基元
（线圈型、杆型等）就可以模拟电流对磁场的贡献。
1.4.3 什么是磁矢量位方法？
矢量位方法（MVP）是ANSYS支持的两种基于节点的方法中的一种（标量位法是另
一种基于节点的方法）。这两种方法都可用于求解3-D静态、时谐、瞬态分析。
矢量位方法中的每个节点的自由度要比标量位方法多：因为它在X、Y和Z方向分别
具有磁矢量位AX、AY、AZ。在载压或电路耦合分析中还引入了另外三个自由度：电流
(CURR)，电压降(EMF)和电压(VOLT)。2-D静态磁分析必须采用矢量位方法，此时主自
由度只有AZ。
在矢量位方法中，电流源（电流传导区域）要作为整个有限元模型的一部分。由
于它的节点自由度更多，所以比标量位方法的运算速度要慢一些。
矢量位方法可应用于3-D静态、时谐和瞬态的磁场分析计算。但是，当计算区域含有
导磁材料时，该方法的精度会有损失（因为在不同导磁率材料的分界面上，由于矢量位的
法向分量非常大，影响了计算结果的精度）。
你可以使用INTER115单元，在同一模型中同时使用3-D标量位方法和3-D矢量位方
法。
4
1.4.4什么是棱边元方法？
我们推荐在解决大多数的3-D时谐问题和瞬态问题时，选用棱边单元法，但此方法对
于2-D问题不适用。
棱边单元法中的自由度与单元边有关系，而与单元节点没关系。此方法在3-D低
频静态和动态电磁场的模拟仿真方面有很好的求解能力。
这种方法和基于节点的矢量位法同时求解具有相同泛函表达式的模型时，此方法更精
确，特别是当模型中有铁区存在时。当自由度是变化的情况下，棱边单元法比基于节点的
矢量位方法更有效。
ANSYS理论手册中有关于此方法更细致的描述。
1.4.5棱边元方法和矢量位方法的比较
主要的不同在于棱边单元法具有更高的精度，对于3-D分析来说，使用棱边单元的分
析过程和用MVP分析的过程基本相同。
所以，如前所述，我们推荐在求解大多数的3-D时谐和瞬态问题时采用单元边方法，
但在下列情况下只能用矢量位法：
·模型中存在着运动效应和电路耦合时；
·模型要求电路和速度效应时
·所分析的模型中没有铁区时。
1.5高频电磁场分析
ANSYS程序具有高频电磁分析功能，用于分析计算给定结构的电磁场和电磁波的传
播特性。
大多数高频器件都是用电磁波传播信息。同一器件在不同频率的表现显然是不同的，
因此在高频器件设计中，进行频响特性分析就显得尤为重要。当信号的波长与导波设备的
大小相当时，就必须进行高频分析。
ANSYS提供时谐分析和模态分析两种分析方法，详见第 10章《高频电磁场分析》。
1.6电磁场单元概述
ANSYS提供了很多可用于模拟电磁现象的单元，表1-1作了简要介绍，单元和单元
特性（自由度、KEYOPT选项、输入和输出等）的详细描述请参见ANSYS单元手册。注
5
意，并非下表中的所有单元都能应用于所有的电磁分析类型，详情请参阅相关分析类型章
节的描述。
表1-1电磁场单元
节
维 单元类
单元 点 形状 自由度1和其它特征
数 型
数
AZ；AZ-VOLT；AZ-CURR；
2- 磁实体 四边
PLANE53 8
D 矢量 形
AZ-CURR-EMF
3-
SOURC36 电流源 3 无 无自由度，线圈、杆、弧型基元
D
3- 磁实体
SOLID96 8 砖形 MAG (简化、差分、通用标势)
D 标量
AX、AY、AZ、VOLT；AX、AY、AZ、CURR；
AX、AY、AZ、CURR、EMF；
3- 磁实体
SOLID97 8 砖形
D 矢量 AX、AY、AZ、CURR、VOLT；
支持速度效应和电路耦合
3- 四边
INTER115 界面 4 AX、AY、AZ、MAG
D 形
3- 低频棱
SOLID117 20 砖形 AZ(棱边)；AZ(棱边)-VOLT
D 边单元
3- 高频棱 四面
HF119 10 AX(棱边)
D 边单元 体
3- 高频棱
HF120 20 砖型 AX(棱边)
D 边单元
VOLT、CURR、EMF；电阻、电容、电感、电流
1-
CIRCU124 电路 8 线段 源、电压源、绞线圈、2D大线圈、3D大线圈、互
D
感、控制源
2- 静电实 四边
PLANE121 8 VOLT
D 体 形
3- 静电实
SOLID122 20 砖型 VOLT
D 体
3- 静电实 四面
SOLID123 10 VOLT
D 体 体
3- 静电实
SOLID127 10 Tet VOLT
D 体
3- 静电实
SOLID128 20 Brick VOLT
D 体
2- 无限边
INFIN9 2 线段 AZ-TEMP
D 界
2- 无限实 四边
INFIN110 8 AZ、VOLT、TEMP
D 体 形
6
3- 无限边 四边
INFIN47 4 MAG、TEMP
D 界 形
3- 无限实
INFIN111 20 砖型 MAG、AX、AY、AZ、VOLT、TEMP
D 体
2- 热电实 四边
PLANE67 4 TEMP-VOLT
D 体 形
3-
LINK68 热电杆 2 线段 TEMP-VOLT
D
3- 热电实
SOLID69 8 砖型 TEMP-VOLT
D 体
3- 四边
SHELL157 热电壳 4 TEMP-VOLT
D 形
2- 耦合实 四边
PLANE13 4 UX、UY、TEMP、AZ；UX-UY-VOLT
D 体 形
UX-UY-UZ-TEMP-VOLT-MAG；TEMP-VOLT-
3- 耦合实 MAG；UX-UY-UZ；
SOLID5 8 砖型
D 体
TEMP、VOLT/MAG
3-
SOLID62 磁结构 8 砖型 UX-UY-UZ-AX-AY-AZ-VOLT
D
UX-UY-UZ-TEMP-VOLT-MAG；TEMP-VOLT-
3- 耦合实 四面 MAG；UX-UY-UZ；
SOLID98 10
D 体 体
TEMP、VOLT/MAG
1具体的自由度根据KEYOPT选项的具体设置来激活
1.7关于GUI路径和命令方式
在本指南中，贯穿始终，都会看见许多ANSYS命令流和其等效路径的提示。这些命
令行一般只使用了命令名，并没有列出所有变量参数。如果在命令后面加了不同的变量，
将执行一些其他的更复杂的操作。若希望了解更复杂的命令语法，请参考《ANSYS命令
指南》
我们尽可能多地列出了GUI等效路径的提示帮助。很多情况下，直接执行GUI路径
就可以执行相应的命令函数；在有些情况下，执行GUI路径后，会出现菜单和对话框，
根据提示选择相应的选项完成希望执行的命令函数。
对于本指南的所有分析，在定义材料属性时，将应用一种更加仿真的界面形式。界面
根据材料属性的不同，分门别类地分级列出树状形式结构，这样便于用户更加合理的选择
材料类型。详细情况请参见《ANSYS基本过程指南》中的“材料模型界面”。

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第二章 2-D 静态磁场分析
2.1什么是静态磁场分析
静态磁场分析考虑由下列激励产生的静态磁场：
·永磁体
·稳态直流电流
·外加电压
·运动导体
·外加静磁场
静磁分析不考虑随时间变化效应，如涡流等。它可以模拟各种饱和非饱和的磁性材料
和永磁体。
静磁分析的分析步骤根据以下几个因素决定：
·模型是2－D还是3－D
·在分析中，考虑使用哪种方法。如果静态分析为2－D，就必须采用在本章内讨论的
矢量位方法。对于3－D静态分析，你可选其中标量位方法（第5章）、矢量位方法（第
9章）、或者棱边元方法（第6章）。
2.2二维静态磁场分析中要用到的单元：
2-D模型要用二维单元来表示结构的几何形状。虽然所有的物体都是三维的，但在实
际计算时首先要考虑是否能将它简化成2-D平面问题或轴对称问题，这是因为2-D模型
建立起来更容易，运算起来也更快捷。
ANSYS/Multiphysics和ANSYS/Emag模块提供了一些用于 2-D静态磁场分析的单元
（如下表）。
详细情况参见《ANSYS单元手册》。
表2-12-D实体单元
维
单元 形状或特性 自由度
数
PLANE13 2-D 四边形，4节 最多可达每节点4个；可以是磁矢势(AZ)、位移、温度
8
点 或时间积分电势。
或三角形，3
节点
四边形，8节
点
最多可达每节点4个；可以是磁矢势(AZ)、时间积分电
PLANE53 2-D
势、电流或电动势降。
或三角形，6
节点
表2-2. 远场单元
单元 维数 形状或特性 自由度
INFIN9 2-D 线型，2节点 磁矢势(AZ)
INFIN110 2-D 四边形，4个或8个节点 磁矢势(AZ)、电势、温度
表2-3. 通用电路单元
维
单元 形状或特性 自由度 注意
数
通用电路单元，最 每节点最多可有三个；可以是电 通常与磁场耦
CIRCU124 无
多可6节点 势、电流或电动势降 合时使用
2-D 单元用矢量位方法（即求解问题时使用的自由度为矢量位）。因为单元是二维的，
故每个节点只有一个矢量位自由度：AZ(Z方向上的矢量位)。时间积分电势(VOLT)用于
载流块导体或给导体施加强制终端条件。
还有一个附加的自由度，电流(CURR)，是载压线圈中每匝中的电流值，便于给源线
圈加电压载荷，它常用于载压线圈和电路耦合。当电压或电流载荷是通过一个外部电路施
加时，就需要CIRCU124单元具有AZ、CURR和EMF（电动势降或电势降）这几个自由
度。（关于电磁电路耦合的更详细信息，参见《ANSYS耦合场分析指南》）。
2.3静态磁场分析的步骤
静态磁场分析分以下五个步骤：
1.创建物理环境
2.建立模型，划分网格，对模型的不同区域赋予特性
3.加边界条件和载荷（激磁）
4.求解
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5.后处理（查看计算结果）
下面将详细讨论这几个步骤，在本章末，还有一个螺线管电磁铁的2－D静态分析例
题。这个例题是以ANSYS图形用户界面的方式来做的，并且还给出了相应的 ANSYS命
令格式。
2.3.1创建物理环境
在定义一个分析问题的物理环境时，进入ANSYS前处理器，建立这个物理物体的数
学仿真模型。按照以下步骤来建立物理环境：
1、设置GUI菜单过滤
2、定义分析标题（/TITLE）
3、说明单元类型及其选项（KEYOPT选项）
4、定义单元坐标系
5、设置实常数和单位制
6、定义材料属性
2.3.1.1设置GUI过滤
如果你是通过GUI路径来运行 ANSYS，当 ANSYS被激活后第一件要做的事情是选择
菜单路径：Main Menu>Preferences，在对话框出现后，选择Magnetic-Nodal。
因为ANSYS会根据你选择的参数来对单元进行过滤，选择Magnetic-Nodal以确保能
够使用用于2-D静态磁场分析的单元。
2.3.1.2定义分析标题
给你所进行的分析一个能够代表所分析内容的标题，比如“2-D solenoid actuator static
analysis”，确认使用一个能够与其他相似物理几何模型区别的标题。用下列方法定义分析
标题。
命令：/TITLE
GUI:：
Utility Menu>File>Change Title
2.3.1.3定义单元类型及其选项
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