基于Ansoft的電磁裝置仿真分析

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

摘要：本文介紹了在Ansoft環境下進行電磁場仿真分析的方法，并以試驗器設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上，對電磁設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。仿真結果可以用于指導電磁設備的設計和優化。

關鍵詞：有限元分析；磁場；仿真

1　引言

電磁場數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，也是目前應用最廣泛的。隨著電子計算機的迅猛發展，目前正逐步形成以電磁場數值計算方法為基礎的計算機仿真計算方法。計算機仿真就是借助計算機，用系統模型對真實系統或者設想的系統進行實驗的一門綜合性技術。計算機仿真不能完全代替實驗，卻可以逼近實驗結果，指導科研過程。

Ansoft是近年來進入國內的基于有限元法的場分析計算仿真軟件。它以電磁技術為核心，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換為龐大的矩陣求解。使用該軟件不僅可以進行靜態場分析，還可以進行瞬態場分析，具有簡單、易用、直觀等優點。

2　電磁裝置仿真分析

本文以試驗器設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）創建項目

建立新的項目文件后，定義分析類型，選擇相對應的場求解器。

（2）創建幾何模型

根據結構尺寸，采用相應的繪圖指令，建立結構的幾何模型，并對各組件進行定義。

（3）材料定義及分配

根據需要，進行材料定義，并對幾何模型中的各部分組件指定相對應的材料屬性。

（4）激勵源與邊界條件定義及加載。

（5）其他參數求解設置

若需要計算除磁場參數之外其他的物理參數或工程參數，如電磁力、轉矩、電感、電容、電磁場能量、損耗等，需事先設置計算這些參數。

（6）求解方式參數設置

求解方式參數設置包括網格剖分設置和求解器殘差設置。

（7）后處理。

查看所需場圖分布，對相關參數進行計算與分析。

2.2電磁裝置仿真計算

試驗設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，它是目前已發現的磁性能最強的永磁材料。

圖2　工作氣隙內磁感應強度矢量

電磁裝置由兩塊結構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，其他求解區域材料屬性設定為空氣。

所建模型的磁場邊界條件自動滿足無限遠邊界條件。由于模型結構相對簡單，網格剖分方式可設定為自適應網格剖分。之后，將求解器的相關參數設定完成后即可進行仿真計算。

2.3后處理與結果分析

仿真計算完成后，根據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磁感應強度的磁感應強度矢量分布圖，如圖2所示。

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

結語

本文采用Ansoft軟件的Maxwell3D模塊建立了試驗設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。仿真結果準確反映了電磁裝置的磁場分布。

將Ansoft軟件應用于電磁裝置的磁場計算，不僅可以將抽象復雜的電磁場數值計算變得簡單、直觀、方便、靈活，還可以將仿真計算結果用于指導電磁裝置的設計，以縮短其開發周期，減少開發成本。

參考文獻

[1]劉國強.Ansoft工程電磁場有限元分析[M].北京：電子工業出版社，2005.

[2]趙博.Ansoft12在工程電磁場中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[3]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業出版社，2008.

中圖分類號：TH137

文獻標識碼：A