基于Ansoft的電磁裝置仿真分析

徐秋敏　宋　偉　崔艷敏　秦洪運（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，遼寧　　沈陽　110043）

基于Ansoft的電磁裝置仿真分析

徐秋敏宋偉崔艷敏秦洪運
（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，遼寧沈陽110043）

摘要：本文介紹了在Ansoft環(huán)境下進行電磁場仿真分析的方法，并以試驗器設(shè)備中的電磁裝置為研究對象，利用Maxwell3D模塊建立三維仿真模型，在建立仿真模型的基礎(chǔ)上，對電磁設(shè)備的基本特性進行了仿真分析，獲得了電磁裝置工作氣隙的磁場分布。仿真結(jié)果可以用于指導(dǎo)電磁設(shè)備的設(shè)計和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：有限元分析；磁場；仿真

1　引言

電磁場數(shù)值計算主要采用有限元法、邊界元法和有限差分法。其中，有限元法是最有效的，也是目前應(yīng)用最廣泛的。隨著電子計算機的迅猛發(fā)展，目前正逐步形成以電磁場數(shù)值計算方法為基礎(chǔ)的計算機仿真計算方法。計算機仿真就是借助計算機，用系統(tǒng)模型對真實系統(tǒng)或者設(shè)想的系統(tǒng)進行實驗的一門綜合性技術(shù)。計算機仿真不能完全代替實驗，卻可以逼近實驗結(jié)果，指導(dǎo)科研過程。

Ansoft是近年來進入國內(nèi)的基于有限元法的場分析計算仿真軟件。它以電磁技術(shù)為核心，基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場計算轉(zhuǎn)換為龐大的矩陣求解。使用該軟件不僅可以進行靜態(tài)場分析，還可以進行瞬態(tài)場分析，具有簡單、易用、直觀等優(yōu)點。

2　電磁裝置仿真分析

本文以試驗器設(shè)備中的電磁裝置為研究對象，采用Ansoft軟件進行仿真建模，對電磁裝置進行磁場分析。

2.1Ansoft仿真分析

Ansoft是一種專門用于電磁場仿真計算與分析的軟件，為電磁場研究人員提供了功能強大的電磁場仿真分析的工具。使用Ansoft軟件進行仿真分析的具體步驟如下：

（1）創(chuàng)建項目

建立新的項目文件后，定義分析類型，選擇相對應(yīng)的場求解器。

（2）創(chuàng)建幾何模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，采用相應(yīng)的繪圖指令，建立結(jié)構(gòu)的幾何模型，并對各組件進行定義。

（3）材料定義及分配

根據(jù)需要，進行材料定義，并對幾何模型中的各部分組件指定相對應(yīng)的材料屬性。

（4）激勵源與邊界條件定義及加載。

（5）其他參數(shù)求解設(shè)置

若需要計算除磁場參數(shù)之外其他的物理參數(shù)或工程參數(shù)，如電磁力、轉(zhuǎn)矩、電感、電容、電磁場能量、損耗等，需事先設(shè)置計算這些參數(shù)。

（6）求解方式參數(shù)設(shè)置

求解方式參數(shù)設(shè)置包括網(wǎng)格剖分設(shè)置和求解器殘差設(shè)置。

（7）后處理。

查看所需場圖分布，對相關(guān)參數(shù)進行計算與分析。

2.2電磁裝置仿真計算

試驗設(shè)備中電磁裝置采用永磁體為試驗器提供恒定的磁場。其中永磁體材料選用被稱為“磁能王”的稀土永磁材料——釹鐵硼，它是目前已發(fā)現(xiàn)的磁性能最強的永磁材料。

圖2　工作氣隙內(nèi)磁感應(yīng)強度矢量

電磁裝置由兩塊結(jié)構(gòu)相同的釹鐵硼永磁體及其固定支架組成，兩固定支架之間是試驗所需的20mm工作氣隙。

為了使計算結(jié)果更貼合實際，本文使用Ansoft軟件的Maxwell 3D模塊對電磁裝置進行建模仿真，電磁裝置的三維模型圖如圖1所示。

建立模型后，對所建立模型設(shè)置材料屬性。模型中固定支架材料為玻璃，永磁體材料為釹鐵硼N42SH，其他求解區(qū)域材料屬性設(shè)定為空氣。

所建模型的磁場邊界條件自動滿足無限遠邊界條件。由于模型結(jié)構(gòu)相對簡單，網(wǎng)格剖分方式可設(shè)定為自適應(yīng)網(wǎng)格剖分。之后，將求解器的相關(guān)參數(shù)設(shè)定完成后即可進行仿真計算。

2.3后處理與結(jié)果分析

仿真計算完成后，根據(jù)需要繪制所需要的場分布圖。使用軟件的后處理功能，給出整個工作氣隙內(nèi)磁感應(yīng)強度的磁感應(yīng)強度矢量分布圖，如圖2所示。

從圖2中可以看出，由于存在端部效應(yīng)，在永磁體邊界部位，磁感應(yīng)強度的矢量方向有些發(fā)散，但在工作氣隙內(nèi)的磁場分布比較均勻，滿足試驗要求。

結(jié)語

本文采用Ansoft軟件的Maxwell3D模塊建立了試驗設(shè)備中電磁裝置的三維仿真模型，完成了對電磁裝置的磁場仿真計算與分析。仿真結(jié)果準確反映了電磁裝置的磁場分布。

將Ansoft軟件應(yīng)用于電磁裝置的磁場計算，不僅可以將抽象復(fù)雜的電磁場數(shù)值計算變得簡單、直觀、方便、靈活，還可以將仿真計算結(jié)果用于指導(dǎo)電磁裝置的設(shè)計，以縮短其開發(fā)周期，減少開發(fā)成本。

參考文獻

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[3]唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

中圖分類號：TH137

文獻標識碼：A