電磁場有限元的案例
電機電磁場CAE有限元分析探討
就從電機電磁場分布區域來看，也有氣隙磁場、端部磁場、鐵心磁場、電樞導線渦流場等；從理論上講，用數值方法可以解決上述問題，但實際工程應用中，即使是基本的二維穩態電機電磁場問題，電機設計者也較少從場的觀點出發，采用有限元或其它數值法進行求解，究其原因，除客觀條件限制外，主觀上仍有兩方面：其一是要用有限元或其它數值法求解電機電磁場問題，則設計者本身至少要精通該數值方法的理論及過程、相應的計算機程序語言及數據結構、輸入數據文件的建立，有時還要進行必要的程序修改、編譯等；其二，設計者在數值計算前，由于數據前處理過程單調、數據量浩繁，其工作量約占整個有限元分析工作量的80%，因此，電機電磁場數值計算的工程應用研究已經提到較重要的位置，即如何從電機設計者角度出發，將較成熟的求解電機電磁場的數值算法如有限元法在過程上通用化，操作上簡捷化，數據管理上自動化，讓電機設計者真正將有限元法作為一種求解電機電磁場的通用工具，正如會使用計算器的人，并非必須了解其工作原理、機器語言、數碼顯示等。
由于有限元理論已比較完備，相應的計算方法及軟件已在工程領域中作為分析計算的工具，因此，電機設計人員更關心如何應用有限元法來分析計算電機電磁場，即有限元前（后）處理。
1、有限元前處理：是指在有限元分析程序運行以前，針對某一具體問題所必須的所有數據的準備工作。就電機電磁場而言，它主要包括求解區域的確定、幾何模型描述、區域網格剖分、節點、單元編號及優化、各種信息數據生成等。
2、有限元后處理：進行電機電磁場有限元分析的目的，是讓電機設計者對電機磁場有清晰直觀的認識，而有限元法作為一種數值算法，其分析計算的結果因數據浩繁，不便分析評價。將這些數據轉換成工程領域所熟悉的各種圖、曲線、表格等對工程分析及設計評價是很必要的，這就要用到有限元后處理。
展開 電磁場分析書籍推薦--《Ansoft 工程電磁場有限元分析》
編 著 者
2005年6月
圖書目錄
第1章 電磁場有限元分析簡介
1.1 電磁場基本理論
1.1.1 麥克斯韋方程組
1.1.2 麥克斯韋方程組各方程之間的關系
1.1.3 本構關系
1.1.4 二階電磁場微分方程
1.1.5 電磁場求解的邊界條件
1.2 電磁場求解的有限元方法
1.2.1 一維有限元法
1.2.2 電磁場解后處理
1.3 Ansoft電磁場分析軟件簡介
1.3.1 Maxwell 3D/2D電磁場求解器分類
1.3.2 電磁分析軟件應用領域
第2章 Maxwell 2D開發環境
2.1 【執行命令】對話框
2.2 幾何建模器
2.2.1 【2D建模器的主框架】對話框
2.2.2 菜單欄
2.2.3 工具欄
2.3 邊界條件管理器
2.3.1 菜單欄
2.3.2 工具欄
2.4 材料管理器
2.4.1 材料庫
2.5 網格生成器
2.5.1 菜單欄
2.5.2 工具欄
2.6 參數列表器
2.7 后處理器
2.7.1 后處理命令
2.7.2 菜單
2.8 場計算器
2.8.1 界面描述
2.8.2 例〖2.1〗輸出場計算結果到均勻網格
第3章 二維靜磁場分析
3.1 二維靜磁分析理論
3.1.1 磁矢勢方程的導出
3.1.2 磁鏈和電流
3.1.3 靜磁力和力矩的計算
3.2 二維靜磁分析中源的處理
3.3
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基于ansys軟件的電機電磁場有限元分析
介紹了應用ANSYS自帶的APDL編程語言進行軟件開發，將該軟件應用于同步發電機空載磁場分析中，在電機的電磁場計算中實現了電機的自動旋轉、自動施加載荷的功能，使用、修改方便，并且計算速度快。通過對電磁場計算結果的后處理，得出了同步發電機的旋轉磁場波形和電壓波形。樣機測試結果驗證了分析結果的正確。
基于ansys軟件的電機電磁場有限元分析.doc
《Ansoft工程電磁場有限元分析》
【目錄】
第1章 電磁場有限元分析簡介
1.1 電磁場基本理論
1.2 電磁場求解的有限元方法
1.3 Ansoft電磁場分析軟件簡介
第2章 Maxwell 2D開發環境
2.1 [執行命令]對話框
2.2 幾何建模器
2.3 邊界條件管理器
2.4 材料管理器
2.5 網格生成器
2.6 參數列表器
2.7 后處理器
2.8 場計算器
第3章 二維靜磁場分析
3.1 二維靜磁分析理論
3.2 二維靜磁分析中源的處理
3.3 二維靜磁分析中的邊界條件
3.4 [例3.1]螺線管電磁閘靜磁場分析
3.5 [例3.2]電磁體設計
第4章 二維渦流場分析
4.1 二維渦流分析理論（A-Φ法）
4.2 二維非線性渦流場理論
4.3 二維渦流分析中源的處理
4.4 二維渦流分析中的阻抗邊界條件
4.5 [例4.1]母線阻抗渦流分析
4.6 [例4.2]同軸線電感分析
第5章 二維軸向磁場渦流分析
5.1 二維軸向磁場渦流分析理論
5.2 二維燦向磁場渦流分析源的處理
5.3 [例5.1]疊片鋼渦流損耗分析
第6章 二維靜電場分析
6.1 二維靜電分析理論（標勢法）
6.2 二維靜電分析中的邊界條件
6.3 二維靜電分析中源的加載
6.4 [例6.1]微波集成電路中的微帶線分析
第7章 二維直流傳導穩恒電場分析
第8章 二維變交變電場分析
第9章 二維瞬態場分析
第10章 二維溫度場分析
第11章 二維參數化電磁場分析
第12章 三維靜電場分析
第13章 三維靜磁場分析
第14章 三維渦流場分析
第15章 三維瞬態場分析
第16章 三維數數化電磁場分析
第17章 三維溫度場分析
第18章 三維應力場分析
參考文獻
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使用有限元-邊界元方法進行電磁仿真
更方便地進行 EMI/EMC 測試
波動光學模塊
內置的波束包絡法克服了對與波長相當尺寸的幾何進行非散射電磁建模的障礙，非常適合于波導介質建模。不過，我們也可以使用 FEM-BEM 耦合來模擬散射電磁問題，從而避免處理網格剖分要求或幾何尺寸限制的問題。建立 EMI/EMC 測試臺模型就是這樣一個應用示例。例如，為了執行 RE102 軍事標準（高達 18GHz 的頻率）的發射測試，被測設備（DUT）和天線之間的距離是 1m。對于頻率為 18GHz 的信號，1m 的距離是波長的 60 倍，通過有限元建模這樣一個巨大的空間在計算上是非常耗時的。我們可以將被測設備和天線分離成兩個有限元域（當然，波長大小相當），并與 BEM 耦合，而不是在單個有限元中建模，如圖7所示。天線上檢測到的功率可以作為被測設備輻射電磁信號強度的一個衡量標準。
圖7.用于發射分析的 EMI/EMC 測試臺設置圖。
結語
由于網格要求和計算資源限制，電磁模擬受到限制，FEM-BEM 耦合為更廣泛的電磁仿真提供了可行的方法。在研究被測設備的 EMI/EMC 分析中的發射和抗擾度測試應用中，對 Friis 傳輸方程進行驗證使結果更加可靠。
本文內容來自 COMSOL 博客
展開 淺談Magneforce軟件與傳統電機設計的優勢
電機設計的首要任務就是根據電機性能指標和運行條件計算得到相應的電磁方案，隨著計算機技術的迅猛發展，越來越多的工程師開始使用電磁場有限元分析技術來校核磁路設計的方案。并進一步形成以電磁場有限元分析技術主導的電機設計和分析新方法（如下圖所示）。
Magneforce電機設計仿真軟件除了包含了電機本身的設計經驗之外，采用了基于時步法(Time-stepping)的有限元（FEA）和電路（SPICE）耦合分析，從而更準確地對電機的電磁場和控制系統的性能進行分析與評估。時步法是當今國際電工領域公認的計算電磁場的最佳方法，而耦合的有限元和電路分析，能夠確保對電機的電磁場進行更精確和快速的計算分析。
Magneforce電機設計仿真軟件與傳統有限元分析技術的優勢主要體現在以下幾個方面：
一、
電機模型建立
利用有限元技術通常需要繁瑣的前后處理，而電機設計又是一個多種電磁和結構參數的聯合調整和優化過程，需要建立大量的模型來分析優化。傳統電機設計軟件很難處理這對矛
盾。通常都是先利用磁路法得到電機方案，再建立有限元模型進行電磁場分析。這樣做既不能發揮有限元分析的優勢，又會降低設計精度和效率。Magneforce基于模型庫與參數化相結合的輔助建模方式，采用自適應網格技術，具有自動前后處理功能等特點，使得設計電機電磁方案的效率大幅提高。真正實現了將有限元技術和電機設計的完美結合。
Magneforce模型庫收錄了各型電機的多種定轉子類型，可以在電機設計中直接選取，同時支持用戶自定義模型的導入。
展開 ANSYS 電機設計專欄
ANSYS集成化電機設計流程主要包括：
1.電機快速設計和方案優選：采用電機磁路法設計工具RMxprt，快速實現電機的初始方案評估和優化設計，縮小電機的設計空間，并一鍵輸出電機二維或三維有限元模型以及電機的系統仿真模型備用；
2.電機電磁場有限元精確優化設計：采用Maxwell二維或三維電磁場有限元仿真，并結合內置外電路或Simplorer控制電路，對電機有限元模型進行仿真設計和細節優化，并輸出等效電路模型備用；
3.電驅動系統集成化設計：采用Simplorer進行電機及控制系統仿真，結合SCADE嵌入式控制代碼自動生成技術；結合Maxwell場路耦合、瞬態協同仿真技術；結合Q3D線纜、母排、IGBT寄生參數提取技術；對整個電驅動系統進行高精度仿真和性能優化；
4.電機電磁、熱耦合分析：采用Maxwell輸出電機的幾何模型和分布式損耗到Mechanical或FLUENT等工具中，進行電機溫度場仿真，實現電磁、熱單/雙向耦合分析，預測電機在各種工況下的溫升并優化散熱系統設計；
5.電機電磁、振動、噪聲耦合分析：采用Maxwell輸出電機的幾何模型到Mechanical，利用Workbench和ANSYS電機電磁、振動、噪聲自動化耦合仿真流程，便捷地分析電機在各種工況下的結構應力、形變以及振動噪音。
本網站提供ANSYS集成化電機設計解決方案的相關技術資料，包括：應用文檔、培訓資料、培訓視頻和常見問題解答。
展開 Magneforce在電機電磁分析中層的應用
Magneforce在電機電磁分析中層的應用
電機電磁分析是在電機初步設計方案的基礎上，利用電磁場有限元分析技術，對電機的電磁參數、特性曲線、損耗分布等多種電機參數進行精確分析的的計算方法。相比于傳統磁路法，有限元分析在各種電感和漏感的求解，永磁體的處理，鐵芯損耗的計算等多方面有顯著優勢。但是，單純使用電機有限元分析技術設計旋轉電機時，由轉子造成的氣隙網格畸變是最棘手的問題。為了解決氣隙網格畸變的問題又提出了場路相結合的分析方法，最典型的是場路相耦合的時步有限元法。時步有限元法將電機內部電磁場有限元方程、外電路方程和機械運動方程相結合，模擬轉子的實際運動，從而求出各個電磁參量隨時間的變化關系。該方法能充分考慮鐵磁材料的局限性，齒槽區域邊界的曲折性和材料分布的復雜性，是目前最為理想的電機設計方法之一。
有限元在線使用基于時步有限元法的Magneforce軟件進行電機設計和電磁分析。涉及電機種類包括感應電機、電勵磁同步電機、永磁同步電機、直流無刷電機、有刷直流電機、磁阻電機等主要類型。
典型問題的處理:
1、
在做電機電磁分析時最頭痛的問題莫過于繁瑣的前后有限元處理過程而我們采用的Magneforce軟件采用全自動的前后有限元前后處理以及參數化的建模方式，大大降低了分析的難度，縮短了分析的時間，提高了電機設計的效率。詳細資料請看Magneforce軟件介紹。
展開 
電磁有限元分析1）-----材料本構關系的模型
1) 實際器件的材料 和 有限元模型中所有材料有什么不同？ （硬磁性--major loop，no demagnetization；軟磁性--curve of 1st magnetization）
2）為什么磁滯很難模擬？ （無限組BH關系）
3）各向同性，各項異性的簡化處理？ （ three main directions）
4）軟磁性材料的BH函數模型都常用哪些？（analytic + knee adjustment）
5）磁場較低時采用什么模型？（“Rayleigh” parabola curve + straight line）
6）諧波分析的基本步驟是什么？諧波分析類型？ 電流源、電壓源激勵分別用那種諧波分析類型？為什么？（Sinusoidal magnetic field strength，Sinusoidal magnetic flux density，mixed，Average of ν over a period）
7）常有人問：我實測的BH數據波動比較大，怎么處理一下呢？ （可以使用FLUX提供的材料函數模型來擬合實測數據得到函數中的參數）
8）......
這些問題的答案都在附件的文檔里附件是FLUX的手冊
電磁有限元分析1）-----材料本構關系的模型.rar
展開 基于HyperWorks的冰箱門溫度場有限元分析
2有限元模型的建立
基于定性地分析冰箱門門蓋開裂的原因的基礎上，為了驗證分析的正確性以及定量地計算出在熱脹冷縮時門蓋的應力，使用HyperMesh、RADIOSS軟件對冰箱門進行溫度場模擬，分析查找出門蓋開裂的原因，并在此基礎上對其結構進行改善。
2.1網格劃分
冰箱門由上門蓋、下門蓋、鋼板、內膽以及發泡料組成，為了保證計算精度，上下門蓋采用尺寸較小的體網格劃分，避免采用面網格簡化而產生的誤差。鋼板和內膽采用面網格劃分，發泡料采用體網格，鋼板和上下門蓋裝配處采用節點融合以模擬兩個零件的裝配，如圖3所示。有限元模型的節點數和單元數如表1所示。
表1冰箱門節點和單元數
圖3 冰箱門有限元模型
2.2材料與屬性
冰箱門組件上門蓋、下門蓋、鋼板、內膽以及發泡料本次分析中各零部件所使用的材料參數如表2所示。
表2各零部件所用材料參數表
2.3邊界條件的定義
冰箱門溫度循環試驗是將門體放置變溫室內，將環境溫度設定成從低溫升高到高溫然后再由高溫降低到低溫的循環過程。因為各個部品的材料參數是在常溫下測定的數據，所以為了模擬這種實驗工況，在HyperMesh中需要將高低溫循環的過程分解為從室溫到低溫和從室溫到高溫兩個工況:工況1室溫至低溫過程；工況2室溫至高溫過程。
實際實驗環境中整個門體是自由狀態、沒有約束的，而在有限元分析中模型如果沒有約束，計算結果是不收斂的，通常情況下的解決方法是人為地對模型施加一個約束，但這樣仿真結果往往與實際工況不符。如果載荷條件完全對稱的情況下，載荷本身就是一種約束，不需要額外添加約束計算結果也可以是收斂的。本次溫度場分析，溫度載荷相對門體是完全對稱的，所以可以不需要額外人為地添加約束，以確保仿真結果與實際工況相符。
展開 有限元的未來是多物理場
物理系統中每增加一個耦合的物理場，意味著數值計算的時候增加一個或多個未知的物理變量，同樣的離散條件下，計算的自由度數將會擴大。在上個世紀90年代以前，由于計算機資源的缺乏，多物理場模擬僅僅停留在理論階段，有限元建模也局限于對單個物理場的模擬，最常見的也就是對力學、傳熱、流體以及電磁場的模擬。看起來有限元仿真的命運好像也就是對單個物理場的模擬。
現在這種情況已經開始改變。經過數十年的努力，計算科學的發展為我們提供了更靈巧、更簡潔而又更快速的算法，強勁的硬件配置，使得對多物理場的有限元模擬成為可能。新興的有限元方法為多物理場分析提供了一個新的機遇，滿足了工程師對真實物理系統的求解需要。
以流-固耦合來說，它是流體力學與固體力學兩者之間相互作用產生的，其研究對象是固體在流場作用下的各種行為，以及固體變形或運動對流場的影響。流-固耦合的重要特征是兩相介質之間的相互作用：固體在流體動載荷的作用下產生變形或運動，而固體的變形或運動反過來又會影響到流場，從而改變流場的分布。
壓電擴音器 (Piezoacoustic transducer) 可以將電流轉換為聲學壓力場，或者反過來將聲場轉換為電場，這里涉及三個不同的物理場：結構場、電場和流體中的聲場。這種裝置一般用在空氣或者液體中的聲源裝置上，比如相控陣麥克風、超聲生物成像儀、聲納傳感器和聲學生物治療儀等，也可用于一些機械裝置，比如噴墨機和壓電馬達等。
科學家已經證明采用偏微分方程組 (PDEs) 的方法可以求解多物理場現象。這些偏微分方程可以描述熱量傳遞、電磁場和結構力學等各種物理過程。可以這樣認定，多物理場的本質是偏微分方程組。隨著計算機和計算技術的迅速發展，使得工程師可以輕松地用偏微分方程組描述現實中的多物理場問題。
展開 轉貼：有限元的未來是多物理場耦合
有限元的未來是多物理場耦合
David Kan, Ph.D. COMSOL Inc.
Burlington, Mass.
Robert Repas 編輯
隨著計算機技術的迅速發展，在工程領域中，有限元分析（FEA）越來越多地用于仿真模擬，來求解真實的工程問題。這些年來，越來越多的工程師、應用數學家和物理學家已經證明這種采用求解偏微分方程（PDE）的方法可以求解許多物理現象，這些偏微分方程可以用來描述流動、電磁場以及結構力學等等。有限元方法用來將這些眾所周知的數學方程轉化為近似的數字式圖象。
早期的有限元主要關注于某個專業領域，比如應力或疲勞，但是，一般來說，物理現象都不是單獨存在的。例如，只要運動就會產生熱，而熱反過來又影響一些材料屬性，如電導率、化學反應速率、流體的粘性等等。這種物理系統的耦合就是我們所說的多物理場，分析起來比我們單獨去分析一個物理場要復雜得多。很明顯，我們現在需要一個多物理場分析工具。
在上個世紀90年代以前，由于計算機資源的缺乏，多物理場模擬僅僅停留在理論階段，有限元建模也局限于對單個物理場的模擬，最常見的也就是對力學、傳熱、流體以及電磁場的模擬。看起來有限元仿真的命運好像也就是對單個物理場的模擬。
現在這種情況已經開始改變。經過數十年的努力，計算科學的發展為我們提供了更靈巧簡潔而又快速的算法，更強勁的硬件配置，使得對多物理場的有限元模擬成為可能。新興的有限元方法為多物理場分析提供了一個新的機遇，滿足了工程師對真實物理系統的求解需要。有限元的未來在于多物理場求解。
千言萬語道不盡，下面只能通過幾個例子來展示多物理場的有限元分析在未來的一些潛在應用。
壓電擴音器（Piezoacoustic transducer）可以將電流轉換為聲學壓力場，或者反過來，將聲場轉換為電流場。
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