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基于Ansoft的电磁装置仿真分析

作者：徐秋敏 宋伟 崔艳敏 秦洪运

来源：《中国新技术新产品》2015年第14期

摘 要：本文介绍了在Ansoft环境下进行电磁场仿真分析的方法，并以试验器设备中的电磁装置为研究对象，利用Maxwell 3D模块建立三维仿真模型，在建立仿真模型的基础上，对电磁设备的基本特性进行了仿真分析，获得了电磁装置工作气隙的磁场分布。仿真结果可以用于指导电磁设备的设计和优化。 关键词：有限元分析；磁场；仿真 中图分类号：TH137 文献标识码：A 1 引言

电磁场数值计算主要采用有限元法、边界元法和有限差分法。其中，有限元法是最有效的，也是目前应用最广泛的。随着电子计算机的迅猛发展，目前正逐步形成以电磁场数值计算方法为基础的计算机仿真计算方法。计算机仿真就是借助计算机，用系统模型对真实系统或者设想的系统进行实验的一门综合性技术。计算机仿真不能完全代替实验，却可以逼近实验结果，指导科研过程。

Ansoft是近年来进入国内的基于有限元法的场分析计算仿真软件。它以电磁技术为核心，基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转换为庞大的矩阵求解。使用该软件不仅可以进行静态场分析，还可以进行瞬态场分析，具有简单、易用、直观等优点。

2 电磁装置仿真分析

本文以试验器设备中的电磁装置为研究对象，采用Ansoft 软件进行仿真建模，对电磁装置进行磁场分析。 2.1 Ansoft仿真分析

Ansoft是一种专门用于电磁场仿真计算与分析的软件，为电磁场研究人员提供了功能强大的电磁场仿真分析的工具。使用Ansoft软件进行仿真分析的具体步骤如下： （1）创建项目

建立新的项目文件后，定义分析类型，选择相对应的场求解器。

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（2）创建几何模型

根据结构尺寸，采用相应的绘图指令，建立结构的几何模型，并对各组件进行定义。 （3）材料定义及分配

根据需要，进行材料定义，并对几何模型中的各部分组件指定相对应的材料属性。 （4）激励源与边界条件定义及加载。 （5）其他参数求解设置

若需要计算除磁场参数之外其他的物理参数或工程参数，如电磁力、转矩、电感、电容、电磁场能量、损耗等，需事先设置计算这些参数。 （6）求解方式参数设置

求解方式参数设置包括网格剖分设置和求解器残差设置。 （7）后处理。

查看所需场图分布，对相关参数进行计算与分析。 2.2 电磁装置仿真计算

试验设备中电磁装置采用永磁体为试验器提供恒定的磁场。其中永磁体材料选用被称为“磁能王”的稀土永磁材料——钕铁硼，它是目前已发现的磁性能最强的永磁材料。

电磁装置由两块结构相同的钕铁硼永磁体及其固定支架组成，两固定支架之间是试验所需的20mm工作气隙。

为了使计算结果更贴合实际，本文使用Ansoft软件的Maxwell 3D模块对电磁装置进行建模仿真，电磁装置的三维模型图如图1所示。

建立模型后，对所建立模型设置材料属性。模型中固定支架材料为玻璃，永磁体材料为钕铁硼N42SH，其他求解区域材料属性设定为空气。

所建模型的磁场边界条件自动满足无限远边界条件。由于模型结构相对简单，网格剖分方式可设定为自适应网格剖分。之后，将求解器的相关参数设定完成后即可进行仿真计算。 2.3 后处理与结果分析

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仿真计算完成后，根据需要绘制所需要的场分布图。使用软件的后处理功能，给出整个工作气隙内磁感应强度的磁感应强度矢量分布图，如图2所示。

从图2中可以看出，由于存在端部效应，在永磁体边界部位，磁感应强度的矢量方向有些发散，但在工作气隙内的磁场分布比较均匀，满足试验要求。 结语

本文采用Ansoft软件的 Maxwell 3D模块建立了试验设备中电磁装置的三维仿真模型，完成了对电磁装置的磁场仿真计算与分析。仿真结果准确反映了电磁装置的磁场分布。 将Ansoft软件应用于电磁装置的磁场计算，不仅可以将抽象复杂的电磁场数值计算变得简单、直观、方便、灵活，还可以将仿真计算结果用于指导电磁装置的设计，以缩短其开发周期，减少开发成本。 参考文献

[1]刘国强. Ansoft工程电磁场有限元分析[M].北京：电子工业出版社，2005. [2]赵博.Ansoft12在工程电磁场中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010. [3]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，2008.