铜线圈包裹钢芯电磁分析结果

1.问题描述

某圆柱形铜线圈包裹钢芯体，激励源导体电流10000mA，钢芯材料为默认结构钢，线圈材料为铜合金，包裹体材料为空气，其他相关参数在分析过程中体现。试求线圈电流密度和总磁通密度。

2.有限元分析过程

（1）启动Workbench 18.0 在“开始”菜单中执行ANSYS 18.0→Workbench 18.0命令。

（2）创建静磁场分析项目

①在工具箱【Toolbox】的【Analysis Systems】中双击或拖动静磁场分析项目【Magnetostatic】到项目分析流程图，如图14-9所示。

②在Workbench的工具栏中单击【Save】，保存项目工程名为Coil.wbpj。有限元分析文件保存在D：\AWB\Chapter14文件夹中。

（3）确定材料参数

①编辑工程数据单元，右键单击【Engi-neering Data】→【Edit】。

②在工程数据属性中增加材料，在Work-bench的工具栏上单击工程材料源库，此时的界面主显示【Engineering Data Sources】和【Outline of Favorites】。选择A3栏【General Materials】，从【Outline of General materials】里查找铜合金【Copper Alloy】材料，然后单击【Outline of General Material】表中的添加按钮，此时在C6栏中显示标示，表明材料添加成功，如图14-10所示。

③单击工具栏中的【A2：Engineering Data】关闭按钮，返回到Workbench主界面，新材料创建完毕。

图14-9 创建分析

图14-10 创建材料

（4）导入几何模型 在结构静力分析项目上，右键单击【Geometry】→【Import Geometry】→【Browse】，找到模型文件Coil.agdb，打开导入几何模型。模型文件在D：\AWB\Chapter14文件夹中。

（5）进入Mechanical分析环境

①在静磁场分析项目上，右键单击【Model】→【Edit】进入Mechanical分析环境。

②在Mechanical的主菜单【Units】中设置单位为Metric（mm，kg，N，s，mV，mA）。

（6）为几何模型分配材料属性

①在导航树里单击【Geometry】→【Part】展开→【Coil】→【Details of“Coil”】→【Material】→【Assignment】=Copper Alloy。

②其他两零件材料默认，但需保证Core材料为Structural Steel，Enclosure材料为Air。

（7）创建局部坐标并赋坐标

①在标准工具栏上单击，选择Enclosure模型并隐藏，在标准工具栏上单击，选择Coil模型外表面，在导航树里右键单击【Coordinate Systems】→【Insert】→【Coordinate Sys-tem】，【Coordinate System】→【Details of“Coordinate System”】→【Type】=Cylindrical，其他默认。

②在导航树里单击【Geometry】→【Coil】→【Details of“Coil”】→【Definition】→【Coordi-nate System】=Coordinate System。

（8）划分网格

①在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Relevance】=80，【Sizing】→【Size Function】=Curvature，其他均默认。

②在标准工具栏上单击，选择Enclosure模型，右键单击【Mesh】→【Insert】→【Meth-od】→【Details of“Automatic Method”Method】→【Method】=MultiZone，其他默认。

③生成网格，右键单击【Mesh】→【Generate Mesh】，图形区域显示程序生成的网格模型，如图14-11所示。

④网格质量检查，在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Quality】→【Mesh Metric】=Skewness，显示Skewness规则下网格质量详细信息，平均值处在好水平范围内，展开【Statistics】显示网格和节点数量。(www.xing528.com)

（9）施加边界条件

①单击【Magnetostatic（A5）】。

②施加磁通量平行，首先在标准工具栏上单击选择面图标，然后选择Enclosure模型所有外表面（共3个），接着在环境工具栏单击【Magnetic Flux Parallel】，如图14-12所示。

③施加激励源导体为铜线圈，首先在标准工具栏上单击选择体图标，隐藏Enclosure模型，然后选择Coil模型，接着在环境工具栏单击【Source Conductor】→【Details of“Source Conductor”】→【Definition】→【Conductor Type】=Stranded，【Number of Turns】输入50。

图14-11 网格划分

图14-12 施加磁通量平行

④右键单击【Source Conductor】→【Insert】→【Current】→【Details of“Current”】→【Defini-tion】→【Magnitude】=10000mA，如图14-13所示。

（10）设置需要结果

①在导航树上单击【Solution（A6）】。

②选择Coil模型，在求解工具栏上单击【Electromagnetic】→【Current Density】。

③在求解工具栏上单击【Electromagnetic】→【Total Magnetic Flux Density】。

（11）求解与结果显示

①在Mechanical标准工具栏上单击进行求解运算。

②运算结束后，单击【Solution（A6）】→【Current Density】，在工具栏依次单击线框图标→矢量图图标→均匀向量图标→网格对齐图标→实心箭头图标，如图14-14所示；单击【Solution（A6）】→【Total Magnetic Flux Density】总磁通密度矢量分布图，如图14-15所示；在标准工具栏单击新截面图标，沿着整体模型切割，得到结果及分布云图，如图14-16所示。

图14-13 边界负载

图14-14 电流密度矢量图

图14-15 总磁通密度矢量分布图

图14-16 总磁通密度分布云图

（12）保存与退出

①单击Mechanical主界面的菜单【File】→【Close Mechanical】退出环境，返回到Work-bench主界面，此时主界面的项目管理区中显示的分析项目均已完成。

②单击Workbench主界面上的【Save】按钮，保存所有分析结果文件。

③退出Workbench环境，单击Workbench主界面的菜单【File】→【Exit】退出主界面，完成项目分析。

点评：本实例是铜线圈包裹钢芯电磁分析。电磁分析与结构分析不同，除了关注边界如何施加，在分析前，铜线圈包裹钢芯体外围需包围空气域处理，这一步，本实例未体现，可参看几何模型的做法。在后处理方面，更关注矢量分布图。