Ansoft有限长螺线管空间磁场仿真分析_李阳.pdf

17式中，K和E分别为第一类和第二类完全椭圆积分；为进一步研究螺线管空间磁场分布，通过前者对多种磁场分析软件的研究探讨，选择求解度更高的有限元Ansoft软 （3）件对螺线管磁场进行仿真研究。通过二维和三维螺线管模型静态磁场仿真，对比和讨论不同长度和螺距螺线管仿真结 （4）果。根据电磁感应定律和螺线管磁场的特点，验证了结果的进一步分析可得圆环电流平面内部的磁感应强度。准确性，证明利用Ansoft软件对电磁场仿真分析更直观、便因为Z=0，推导可得：利，具有先进性和实用性，为分析、设计和研究电磁设备提 （5）供一定的参考。圆环中心处的磁感应强度：1 引言Z=0，y=0可知k=0，E(0)=K(0)=0，则：随着电气产品结构复杂化和对产品性能要求的提高，传统 （6）的方法难以满足实际需要。近年来利用有限元软件对磁场仿真3 螺线管Ansoft有限元仿真模型的应用研究成为工程人员和研究人员的一大研究热点，有限元Ansoft有限元软件主要用来设计分析电机、变压器等电气设法成为研究磁场问题的主要手段。以往对磁场的研究基于麦克备在不同工作环境下的工作特性，可建立二维模型、三维模型斯韦方程进行解析计算，采用模拟试验法得到近似结果，与实并对其在静态磁场、瞬态磁场、涡流场、交直流电场仿真分1-2际存在一定差距，且这些传统方法对现代设备难以满足。直10析。本文在Ansoft软件中对螺线管模型进行二维平面和三维实流螺线管产生的磁场常常得到广泛应用，它具有磁场强度和场体静态磁场仿真分析。二维平面建模更容易、占内存小、计算形分布易于调节、杂散场小、在大工作空间内可获得高场强等速度快，但对问题的描述有一定的局限性；三维实体分析法建3-4优点。由此可见，螺线管磁场的计算特别重要。本文据毕奥-模比较复杂、占内存大、计算速度比较慢，但能够模拟所有工萨伐尔定律和安培环路定理对螺线管电磁场进行仿真分析，采程实例，应用更加广泛。因此，本文对螺线管分别建立二维和用有限元Ansoft软件对螺线管仿真分析，对螺线管建立不同参数三维模型，在三维模型下直观得到空间磁场分布，并在二维模的静态磁场仿真模型，对比分析磁场特性，结果更具有先进11型下讨论不同螺线管的磁场特性。性。3.1 三维模型的建立2 螺线管计算模型静态磁场下建立10匝螺线管模型，端面施加电流激励，得将密绕带电螺线管线圈等效为n个电流环，电流环置于直角到螺线管磁通分布及磁力线空间分布图如下所示。与以往二维坐标系xy平面，图1表示一个圆环，圆心与坐标原点重合，面法抽象的磁场分布不同，三维模型可以更加形象的表现出螺线管线与z轴重合，环的半径为a，环内电流为I，由于电流仅有切向在三维空间的磁场分布。分量，向量磁位也仅有切向分量A，A与无关，电流环在5-9空间P点产生的磁感应强度B可表示成如下形式。图2 三维模型磁通密度 图3 三维模型磁力线从图3磁力线分布中可以看到，磁力线在螺线管中心区域最密集，成闭合回路且互不相交。磁力线空间分布特性与教材一致，在求解域边界处仍然存在微弱的磁力线。以上分析也说明Ansoft有限元软件对电磁场仿真的准确性和可靠性。图1 圆环电流向量磁位3.2 二维模型 （1）所有物体都是三维的，由于螺线管关于中心轴对称且在二维和三维下结果相近，因此选用二维模型进行分析求解，所研 究的螺线管三维轴对称模型简化成理想二维平面模型。（2）Ansoft有限长螺线管空间磁场仿真分析 乌兰察布供电公司李 阳 王亚杰 技术创新182023年 第 1 期建立二维模型，螺线管截面为单个独立圆，螺线管内径增加，中心区域场强愈发平整，且Bm值越大。随着y轴上的点R=5cm，螺距a=1mm，匝数N=13匝，螺线管长度L=5cm。每匝不断地远离中心点，其轴向磁场急剧下降，在无穷远处，磁场圆面设为串联连接，螺线管材料为copper，每匝施加相同电流激强度迅速减弱至趋近为0。励I，求解域的边界和外边界施加气球边界条件，并进行自适应从图8中得到在靠近螺线管壁时，磁场沿径向分量已超过沿网格剖分，通过在matrix中设置可求得螺线管自感值，最后求解轴线分量，磁场先增加然后迅速下降最终达到螺线管中心磁场得出螺线管磁场分布，计算结果如下所示。最大值Bm。对比四种模型可以看出，L/R越大螺线管中部匀强磁场区域越大，接近管口Bx与Bm差值逐渐减小，且减小幅度较大（曲线较陡）。当L/R=9，中心磁场变化很小，理想情况下L/R为无穷大时此种现象可完全消失，且磁场在轴线方向的最小值和图7的最大值Bm一样。在端点位置，磁场发生很大的变化是因为螺线管电流对磁力线的“约束”导致磁力线在螺线管边缘的剧变，反映磁力线密度变大，磁感应强度变大，也就是螺 图4 二维模型自适应剖分 图5 二维模型电场线分布线管在端部磁力线反常，即边缘效应。通过matrix设置求得13匝线圈的电感系数为144.11uH，电感从图9可以看出，在螺线管中点位置是不存在磁场的，且磁值等于电感系数乘以匝数的平方，即得螺线管电感值。为更好场关于坐标原点对称，大小随着中点位置向两端不断增大，到地研究螺线管磁场与L/R的关系，本文建立四种螺线管模型螺线管边界达到最大值，随后到达无从远处衰减为0。L/R分别为0.4、3、9，仿真结果如图6所示。以上分析可得出对密绕型螺线管L/R值至少等于9，边缘效图6可得有限长螺线管磁场的磁力线不相交，且成闭合曲应可忽略不计。当螺线管为无限长时，螺线管内靠近两端的磁线，螺线管内磁力线的方向几乎平行螺线管轴线，且随着螺线场不均匀区域相对于整个螺线管内的区域越来越小，两端内有管长度L的增加，螺线管内磁力线愈发平行轴线。随着螺线管长明显侧边缘效应的区域趋于零，此时整个螺线管内都为匀强磁度的增加磁力线在数值上在不断变大，当螺线管趋于无限长的场。极限情况时，整个管内空间的磁力线方向就平行于螺线管轴3.3 不同螺距线，螺线管外侧的磁力线由近及远逐渐减小，边缘效应也越选取上文所用第二组模型L/R=1，a=1建立螺线管不同螺距小。从图6（c）看出，多条磁力线从螺线管侧壁穿出，是由于a=7模型进行仿真对比分析，仿真图如下所示。有限长螺线管在某处产生磁场的矢量和不等于零。随着螺线管长度的增加，以上的分析不仅说明螺线管内外的磁场分别是匀强磁场，还说明管内外的磁场都必须是有限磁场，通过对螺线管磁场的仿真中发现，只有在至少7倍的求解域中螺线管磁场才能被完全正确表示。本文对比螺线管长度L与半径R比值，观察讨论螺线管内部从图10可见：当螺距较大时，在轴线附近的中心区域内磁和周围磁场分布，仿真结果如下所示。感应强度的分布也不是均匀的，与密绕圆柱形螺线管的分布有着明显的区别。当螺距较大时，螺线管端部的边缘效应更加明显，且漏磁严重导致磁场最大值Bm明显变小，除中间匀强磁场段轴线上相同位置的磁场越大。4 结束语本文采用有限元Ansoft软件对有限长螺线管空间磁场再探索，并利用毕奥一萨伐尔定律推导出空间磁感应强度的数学表达式。运用有限元的方法建立了螺线管二维磁场仿真模型，绘制不同螺线管长度和半径比时的磁力线分布和磁感应强度分布，及螺线管边缘效应的磁场分布。通过螺线管磁场测定进行了计算机实验仿真，并对仿真数据分析，仿真结果分析完全符合螺线管磁场理论特性，验证了有限元法对螺线管磁场仿真模 图7 轴向磁通 图8 径向磁通型的有效性，为螺线管磁场相关研究奠定了一定的软件分析基础，对螺线管模型和空间磁场的深入理解有一定价值。【参考文献】1 于欣峰,刘义东,刘普生,等.有限长螺线管的磁场分布和漏图9 径向磁力线磁现象的再探索J.物理与工程,2016,26(1):68-71.螺线管空间磁场关于xy呈二维正态分布，螺线管中心磁场2 游修东,陈勇,陈遥沛.近距离磁感应线圈的磁场计算与仿强度最大，远离中心磁场强度逐渐减弱，图7中圆形线圈在其中真分析J.水雷战与舰船防护,2017,25(1):54-59.心点的磁场达到最大值Bm，在中心点附近很小的范围内轴向磁3 朱姗姗,杨锦忠.用有限元仿真计算法研究（下转53页）场变化较小，且从L/R比值可以看出，随着有限长螺线管长度的图10 不同螺距仿真对比图6 二维模型磁力线线分布（a）L/R=0.4 （b）L/R=3 （c）L/R=953在仿真软件Proteus上画出电路图，添加.hex文件后进行仿真显示电路在本设计中要求显示温度和水位值，方便用户可运行。观察现象是否达到预期结果，再焊接实物图。以直接查看数值，对当前的水温水位有直接的了解，来选择之8.3 实物的调试后是否升温、是否加水。本设计在经过模块对比之后，最终选在经过元器件选择、软件仿真、以及焊接之后，进行实物择LCD1602作为显示电路的核心元件。在此系统中，其用来显的调试。示温度以及水位值。接通电源后，显示屏上显示当前的水位、水温、桶的容积5 按键电路设计以及HCSR04距水面的位置。按键模块是利用独立按键进行设定固定值和功能，将按键接入电路中，达到自己所要预期上下限值和功能。按键电路是用来实现调节设定温度和水位的固定值以及所需要的功能。1 CHUNG Han-shik,WOO Ju-sik,SHIN Yong-han,et al.容积设定按键K1，按一下K1键可以设置水位的上限值，按Experimental assessment of two-phase bubble pump for solar water 两下可设水位的下限值，再按一下确定设置。heatingJ.Journal of Central South University,2012.温度设置按键K2，按一下K2键可以设置水位的上限值，按2 卫炜.太阳能热水器控制电路设计J.邢台学院学报,2014,两下可设水位的下限值，再按一下确定设置。29.当处于设置水温界面时，按下按键K3/K4，可以设置水温。3 叶凡鹏.太阳能热水器控制系统设计J.轻工科技,2020,36.6 报警电路设计4 刘萌,郑煊.基于凌阳SPCE061A单片机的语音识别系统设当水的温度低于设定的下限温度值时，单片机输出高电计J.电子测试,2008(07).平，三极管导通，触发报警设置，提示5 Stelian-Emilian Oltean.Mobile Robot Platform with Arduino水温过低，并自动加热，当水的温度到Uno and Raspberry Pi for Autonomous NavigationJ.Procedia Manufacturing,达上限温度值后，加热系统停止加热。2019,32.当水位低于设定的下限水位值时，电路6 来凯.多模GNSS精密单点定位技术研究D.西安科技大学,报警，水泵工作，开始自动抽水，直至2019.达到上限水位值时电路会再次报警，且7 孟卓.基于HC-SR04的超声波导盲系统设计J.电子设计系统停止抽水。工程,2019.7 系统软件设计8 赖林弟,胡海燕,胡克满.智能挡车器控制系统的设计J.软接上电源后，单片机、传感器、显件导刊,2012,11.示屏开始初始化，进入主程序运行，进9 邱亚楠.基于CCD线阵导航的缩微车智能驾驶系统设计行按键扫描处理，以及对各模块子程序D.东北大学,2014.的调用，以及在各个模块无外部中断申10 李峰,任继锋.基于单片机的多功能手持测量仪的设计J.请时，在显示屏上进行实时显示。主程自动化与仪器仪表,2014(09).序流程如图1所示。基金项目：1.陕西省教育科学“十三五”规划课题（SGH17H172）；2.2021年咸阳师范学院基础教育实践研究课题（JCJY8 系统仿真与调试045）。8.1 软件测试本文的通信作者为李梦琪。单片机功能的实现依靠软件的运行。在软件Keil4中用C语言进行编写程序，编译链接，直至没有错误，再生成.hex格式的文件，将它再加载到Proteus原理图中进行仿真。8.2 软件仿真【参考文献】图1 系统主程序流程图（上接18页）螺线管制动器内磁场分布J.北京工业职业技术学9 丁健.载流有限长密绕螺线管的磁场分布J.大学物理,院学报,2012,11(4):13-17.2