技能培训专题 工程电磁场讲义工程电磁场报告


     Maxwell仿真分析 叠钢片涡流损耗分析 任课老师:陈劲操 班级:08081902 学号:0808190246 姓名:吴鹏 2010/5/8 Maxwell仿真分析 ——二维轴向磁场涡流分析源的处理 在学习了Ansoft公司开发的软件Maxwell后,对工程电磁场有了进一步的了解,这一软件的应用之广非我们所想象。本次实验只是利用了其中很小的一部分功能,涡流损耗分析。通过软件仿真、作图,并与理论值相比较,得出我们需要的实验结果。 在交流变压器和驱动器中,叠片钢的功率损耗非常重。大多数扼流线圈通常使用叠片,以减少涡流损耗,但这种损耗仍然很大。特别是在高频情况下,产生了热,进一步影响了整体性能。因此做这方面的分析十分有必要。 一、 实验目的 1) 认识钢的涡流效应的损耗,以及减少涡流的方法; 2) 学习涡流损耗的计算方法; 3) 学习用MAXWELL 2D计算叠片钢的涡流。 二、 实验模型 第一个实验是分析单个钢片的涡流损耗值,所以其模型就是一个钢片,设置其厚度为0.356mm,长度为20mm>>0.356mm,外加磁场为1T。 实验模型是4片叠钢片组成,每一篇截面的长和宽分别是12.7mm和0.356mm,两片中间的距离为8.12uA,叠片钢的电导率为2.08e6 S/m,相对磁导率为2000,作用在磁钢表面的外磁场Hz=397.77A/m,即Bz=1T。考虑到模型对X,Y轴具有对称性,可以只计算第一象限内的模型。 三、 实验步骤 一. 单个钢片的涡流损耗分析 1、 建立模型,因为是单个钢片的涡流分析,故位置无所谓,就放在中间,然后设置边界为397.77A/m,然后设置频率,进行求解。 2、 进行数据处理,算出理论值,并进行比较。 二、 叠钢片涡流损耗分析 1、 依照模型建立起第一象限内的模型,将模型的原点与坐标轴的原点重合,这样做起来比较方便。设置钢片的材质,使之符合实际要求。然后设置边界条件和源,本实验的源为一恒定磁场,分别制定在上界和右边界,然后考虑到对偶性,将左边界和下界设置为对偶。然后设置求解参数,因为本实验是要进行不同的频率下,涡流损耗的分析,所以设定好Frequency后,进行求解。 2、 将Frequency分别设置为1Hz、60Hz、360Hz、1KHz、2KHz、5KHz、10KHz,进行求解,注意每次求解时,要将Starting Mesh设定为Initial,表示重新开始计算求解。记录下不同频率下的偶流损耗值和最低磁通密度Bmin。 3、 进行数据处理,把实验所得数据和理论值进行比较。得出实验结论。 四、 仿真图样 一、单个钢片的涡流分析 1)当 F=50HZ时, P=6.32054E-002(W) Hmin=3.9575E+002(A/m) Bmin= rHmin=4*PI*(10e-7)*1000*Hmin=0.4973(T) 仿真计算过程如下: 2)当 F=200HZ时, P=8.83642E-001(W) Hmin=3.6825E+002(A/m) Bmin= rHmin=4*PI*(10e-7)*1000*Hmin=0.4628(T) 仿真计算过程如下: 3)当 F=5000HZ时, P=1.11579E+001(W) Hmin=2.3055E+001(A/m) Bmin= rHmin=4*PI*(10e-7)*1000*Hmin=0.0290(T) 仿真计算过程如下: 二、叠钢片涡流分析 1、 f=1HZ时 P=1.99214e-6(W) Hmin=3.9777e2(A/m) Bmin=1/397.77*3.9777e2=0.9997(T) 2、 f=60HZ时 P=7.16701e-3(W) Hmin=3.9761e2(A/m) Bmin=1/397.11*2.9761e2=0.9993(T) 3、 f=360HZ时 P=2.52253e-1 (W) Hmin=3.9223e2 (A/m) Bmin=0.9857(T) 4、 f=1kHZ时 P=1.68902(W) Hmin=3.5960e2(A/m) Bmin=0.9038(T) 5、 f=2kHZ时 P=4.64186(W) Hmin=2.8517e2 Bmin=0.7167(T) 6、 f=5kHZ时 P=9.47030(W) Hmin=1.2766e2(A/m) Bmin=0.3208(T) 7、 f=10kHZ时 P=1.24161e1(W) Hmin=2.6483e1(A/m) Bmin=0.0666(T) 五、 实验数据 一、 对于单钢片的位置与磁场平行的情况: 1)实验值表格 F(Hz) Bmin(T) P(W) 50 0.4973 6.32054E-002 200 0.4628 8.83642E-001 5000 0.0290 1.11579E+001 2)理论值计算与结果 低频公式理论表格 F(Hz) Bmin(T) P(W) 50 0.4975 6.325e-002 200 0.4620 8.825e-001 5000 0.0288 2.125e001 高频公式理论表格 F(Hz) Bmin(T) P(W) 5000 0.0288 1.13868e001 3)误差分析 误差表格 F(Hz) Bmin P 50 0.03% 0.07% 200 0.04% 0.13% 5000 0.11% 47.5%(低) 2.0%(高) 经过对比发现在50HZ和200HZ时,仿真结果与低频损耗计算结果吻合较好;在5000HZ时,仿真结果与高频损耗计算结果吻合也较好。而对于Bmin来说,3个频率时候吻合得都非常好。 二、叠钢片的涡流分析 不同频率下的Bmin和P F(Hz) Bmin(T) P(W) 1 0.9997 1.99214e-6 60 0.9993 7.16701e-3 360 0.9857 2.52253e-1 1k 0.9038 1.68902 2k 0.7167 4.64186 5k 0.3208 9.47030 10k 0.0666 1.24261e1 上表是实验所得数据。 由工程电磁场的理论知识,易知在低频和高频下,涡流损耗的理论计算公式是不一样的所以下面分别讨论: 1、 实验数据与低频下损耗的理论计算公式的比较 低频涡流损耗的计算公式为:P=t2ω2B2σ24V, 式中,V为叠片体积;t为叠片厚度;B为峰值磁通密度;σ为叠片电导率;ω为外加磁场角频率。V=12.7×10-3×0.356×10-3×1=4.5212×10-6m3。 经计算,可得到频率小于2KHz的各个频率的涡流损耗: 低频数值计算结果与实验值的比较 F(Hz) Bmin(T) P(W)[理论] P(W)[实验] 1 0.9997 1.9593e-6 1.99214e-6 60 0.9993 7.0535e-3 7.16701e-3 360 0.9857 2.5408e-3 2.52253e-1 1k 0.9038 1.9605 1.68902 2k 0.7167 7.8420 4.64186 5k 0.3208 4.9012e1 9.47030 10k 0.0666 1.9604e2 1.24261e1 经比较发现,在频率小于2K时,实验结果和理论值比较吻合,而当频率大于2KHZ时,误差就很大了,说明原来的理论计算公式已不再适用,应当另谋他法。 2、 实验结果和高频损耗计算公式的比较 当频率较高时,计算涡流损耗就应该另外寻求公式,查阅资料可得,高频时的涡流损耗计算公式为P=12Ht2RsS=Ht22δσ=Ht22ωμ2σS 式中,S为叠片表面积;Ht为磁场强度切向分量;σ为叠片电导率;μ为叠片相对磁导率;ω为外加磁场角频率;Rs为单位表面积叠片的阻抗;δ为趋肤深度。此公式适用于频率大于10KHZ的情况,为了进行对比,也利用此公式计算2KHZ和5KHZ的情况。 高频数值计算结果与实验值的比较 F(Hz) Bmin(T) P(W)[理论] P(W)[实验] 2k 0.7167 5.6918 4.64186 5k 0.3208 9.0000 9.47030 10k 0.0666 12.727 1.24261e1 3误差分析 误差表格 F(Hz) Bmin P 1 0.004% 3.3% 60 0.097% 3.3% 360 8.11% 5.5% 1K 16.4% 17% 2K 18.8% 42%(低) 20%(高) 5K 7.91% 80%(低) 6.6%(高) 10K 0.27% 34%(低) 1.9%(高) 经过对比发现,在1k Hz以下频率,仿真结果与低频损耗计算结果吻合较好;在频率(大于)等于5k Hz时,仿真结果与高频损耗计算结果吻合也较好。而对于Bmin来说,一开始吻合的非常好,中间误差相对很大,而最后又吻合的很好。 实验证明,涡流在现实生活中的存在。而且,其影响会随着频率的变化而变化。具体来说就是频率越高,损耗越大,这与生活常识也是吻合的。 六、实验总结 本次试验是通过Maxwell对叠钢片涡流进行仿真分析,经过这次试验,使我对涡流有了更深入的了解,而且对该软件的使用变得更加得心应手。在以后的学习过程中,应该充分利用可以使用的一切工具来辅助学习,这样不仅对学习的课程很有帮助,而且开拓了思维,训练了动手能力。希望以后能更加的努力,学好这门课程,为以后的专业课打下坚实的基础! 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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