书籍详情
ANSYS Maxwell+Workbench 2021 电机多物理场耦合有限元分析从入门到工程实战
作者：刘慧娟、张振洋、宋腾飞 等 编著
出版社：化学工业出版社
出版时间：2022-08-01
ISBN：9787122411655
定价：¥99.00
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内容简介
本书从基础操作入手，通过工程应用实例对ANSYS Maxwell 2021电磁场及Workbench 2021多物理场仿真平台的使用方法和技巧做了系统的介绍。全书分为上、下两篇：上篇为基础操作篇，主要包括有限元仿真分析的一般流程、ANSYS Maxwell几何建模的方法、模型通用前处理、求解和后处理的设置方法及技巧；下篇为工程实例专题分析篇，通过具体案例讲解2D/3D静磁场、2D涡流场、2D/3D瞬态电磁场、电路-电磁耦合场、电磁-热耦合场、电磁-结构-声耦合场等常见电机电磁场及多物理耦合场仿真的思路、详细步骤和应用技巧。本书配备所有工程案例的模型文件，并专门制作了软件操作视频，读者可扫描书中二维码获取相关内容。本书既可以作为工程技术人员、科研人员等高阶读者灵活使用ANSYS Maxwell软件的参考资料，也可作为理工科院校相关专业本科生、研究生的教材。
作者简介
刘慧娟，北京交通大学电气工程学院教授、博士生导师。长期从事电机及其控制领域的教学与科研工作，每年主讲本科生和研究生多门课程：“电机学”“电机设计”“交流电机系统分析”“电机分析与设计仿真软件应用实践”“电机电磁场计算”等。主持开设的本科生“电机学”课程被评为北京交通大学校级精品课程，并在中国大学MOOC上在线开课四期，主持开设的研究生课程“交流电机系统分析”被评为北京交通大学优质核心课程。主持多项教学研究项目，并获教学成果奖多项。曾分别到美国俄亥俄州立大学和香港理工大学做访问学者。主持和参与多项国家自然科学基金项目和省部级科研项目，特别对各种新结构电磁设备的设计与制造、电磁场性能的计算与分析等有深入的研究，发表相关科技论文100余篇。
目录
上篇 基础操作篇
第1章 有限元分析及ANSYS Maxwell/Workbench 2021 概述 002
1.1 有限元法简介 002
1.2 有限元法基本思想及求解步骤 002
1.3 有限元分析的发展趋势及FEA 软件 003
1.4 ANSYS 简介 004
1.5 ANSYS Electronics Desktop 2021 平台 005
1.5.1 项目新建及保存 006
1.5.2 Maxwell 基本运行界面 006
1.5.3 项目列表常用操作 007
1.5.4 ANSYS Maxwell 电磁场有限元仿真的一般流程 008
1.6 ANSYS Workbench 2021 平台及模块 009
1.6.1 Workbench 基本运行界面 009
1.6.2 模块区基本操作 009
1.6.3 ANSYS Workbench 多物理场耦合仿真的一般流程 015
第2章 ANSYS Maxwell 几何建模方法 018
2.1 坐标系简介 018
2.1.1 相对坐标系的创建 019
2.1.2 表面坐标系的创建 020
2.1.3 实体坐标系的创建 021
2.2 基本模型绘制方法 022
2.2.1 点、线、面、体的绘制 022
2.2.2 螺旋线的绘制 023
2.2.3 参数方程曲线的绘制 024
2.3 几何操作方法 025
2.3.1 布尔运算 025
2.3.2 等比例放大/缩小和拉伸、扫描 027
2.3.3 位置变换和复制 029
2.3.4 倒角和圆角 030
2.4 UDP 快速建模方法 031
2.5 参数化方法在建模中的运用 035
2.6 外部几何模型导入方法 035
2.7 RMxprt 一般电机模型快速建模法 036
2.7.1 模型选择 037
2.7.2 参数设定 037
2.7.3 模型生成 046
2.7.4 RMxprt 自定义槽形 048
第3章 ANSYS Maxwell 2D/3D 通用前处理流程 051
3.1 建立模型 051
3.2 设定求解类型 051
3.3 常见材料设置 053
3.3.1 材料库简介. 053
3.3.2 铁磁材料的添加 053
3.3.3 永磁材料的属性设置 056
3.3.4 导体材料的属性设置 060
3.3.5 考虑温度修正的材料参数化设置 061
3.4 设定运动区域 065
3.4.1 普通旋转电机运动设置 065
3.4.2 直线电机运动设置 066
3.4.3 多区域运动设置 068
3.4.4 三维模型运动边界 068
3.5 网格的类型及划分策略 069
3.5.1 网格划分默认设置 069
3.5.2 基于表面/内部网格剖分 071
3.5.3 曲线及曲面网格剖分 073
3.5.4 网格克隆 074
3.6 激励源设置 078
3.6.1 电流激励 078
3.6.2 电压激励 081
3.6.3 外电路激励 081
3.7 边界条件设定 082
3.7.1 常见边界条件分类 082
3.7.2 不同边界条件的适用范围 083
3.7.3 各边界条件的使用方法 084
3.8 自定义监测参数设定 087
3.8.1 电感参数 087
3.8.2 非直接求解模型受力/转矩参数 087
第4章 求解及后处理 089
4.1 求解参数设置 089
4.1.1 稳态求解器 089
4.1.2 频域求解器 092
4.1.3 时域求解器 094
4.2 结果后处理 097
4.2.1 查看求解数据 097
4.2.2 生成结果报表 098
4.2.3 绘制场量图 102
4.2.4 场图动画生成及不同参数下结果查看 104
4.2.5 场计算器简介及基本操作 106
4.2.6 场计算器自定义结果输出 108
下篇 工程实例专题分析篇
第5章 静磁场仿真分析 112
5.1 实例描述 112
5.2 二维静磁场 112
5.2.1 模型创建 112
5.2.2 设置求解域 113
5.2.3 设置激励 114
5.2.4 边界条件和力参数设置 115
5.2.5 求解设置 115
5.2.6 求解数据 115
5.3 三维静磁场 117
5.3.1 模型设置 117
5.3.2 激励设置 118
5.3.3 设置求解域 119
5.3.4 设置扭矩参数 119
5.3.5 分析和结果 119
第6章 油浸式变压器不同工况下电磁及Simplorer 场路耦合仿真 121
6.1 实例描述及仿真策略 121
6.2 变压器电磁场仿真分析 121
6.2.1 模型建立及前处理 121
6.2.2 计算结果查看 125
6.3 基于Simplorer（Twin Builder）的变压器场路耦合仿真 125
6.3.1 Simplorer 基本运行界面 126
6.3.2 空载工况仿真分析 127
6.3.3 短路工况仿真分析 129
6.3.4 负载工况仿真分析 129
第7章 笼型转子感应电机快速电磁计算及电磁-温度场耦合仿真 131
7.1 实例描述及仿真策略 131
7.2 RMxprt 快速建模及电磁性能计算 131
7.2.1 模型选择及基础参数设置 131
7.2.2 激励及求解参数设定 137
7.2.3 电磁计算结果及特性曲线查看 138
7.3 ANSYS Maxwell 2D 有限元模型电磁场仿真分析 144
7.3.1 RMxprt 一键导出建模 144
7.3.2 边界条件、激励设置、网格划分等前处理 151
7.3.3 电感及二维斜槽求解设定 156
7.3.4 求解设置及常规结果查看 157
7.3.5 气隙磁密求取及FFT 分析 162
7.3.6 多模型多工况参数化批量求解方法 165
7.3.7 基于ACT 插件生成效率Map 图 168
7.4 ANSYS Maxwell 3D 有限元模型电磁场仿真分析 172
7.4.1 RMxprt 一键导出建模 172
7.4.2 前处理及求解设置 173
7.4.3 结果输出及后处理 177
7.5 基于Motor-CAD 的感应电机电磁、热分析和效率Map 图计算 179
7.5.1 Motor-CAD 基本界面及介绍 180
7.5.2 电磁性能求解 183
7.5.3 稳态温升求解 188
7.5.4 瞬态温升求解 196
7.5.5 效率Map 图计算 198
7.5.6 路谱图求解 201
第8章 内置式永磁同步电机电磁-温度-结构多场耦合仿真 204
8.1 实例描述及仿真策略 204
8.2 RMxprt 快速建模及电磁性能计算 205
8.2.1 模型选择及基础参数设置 205
8.2.2 激励及求解参数设定 208
8.2.3 电磁计算结果及特性曲线查看 208
8.3 ANSYS Maxwell 2D 有限元模型电磁场仿真分析 213
8.3.1 RMxprt 一键导出建模 213
8.3.2 基于UDP 的永磁同步电机Maxwell 2D 几何建模 213
8.3.3 空载工况气隙磁场及空载感应电势谐波提取 224
8.3.4 空载齿槽转矩的计算 228
8.3.5 带载工况下电磁转矩、功率计算方法及磁场分析 229
8.3.6 交直轴电流、电感、磁链计算 231
8.3.7 基于参数化扫描的电机转矩-功角特性曲线 233
8.3.8 基于参数化扫描的空载反电势-转速特性曲线 236
8.3.9 基于参数化扫描的转子结构尺寸对电机性能影响分析 238
8.3.10 基于ACT 插件生成效率Map 图 243
8.3.11 永磁体抗退磁能力模拟计算 246
8.4 ANSYS optiSLang 模块在永磁同步电机优化的应用 250
8.4.1 ANSYS optiSLang 模块介绍 250
8.4.2 基于Workbench 平台的Maxwell 参数化模型建立 251
8.4.3 基于optiSLang 和Workbench 平台的电机参数灵敏度分析 255
8.4.4 基于optiSLang 和Workbench 平台的电机多目标优化设计 259
8.5 基于Maxwell-Fluent 的永磁同步电机电磁-热耦合仿真方法 263
8.5.1 电磁-热耦合仿真模型的建立 263
8.5.2 Maxwell 2D 电磁场损耗求解 264
8.5.3 流体场模型导入和剖分设置 265
8.5.4 气隙的等效处理及其热导率的计算 268
8.5.5 定子绕组、漆膜及槽绝缘层热导率等效、装配间隙热阻等效 269
8.5.6 Fluent 3D 仿真计算设置 272
8.5.7 计算结果及后处理 278
8.6 基于Workbench 永磁同步电机振动噪声特性多物理场耦合仿真 279
8.6.1 电机振动噪声的产生方式及分类 279
8.6.2 振动和噪声特性多物理场仿真流程 281
8.6.3 电磁场定子齿部电磁力密求解方法 282
8.6.4 电机结构场模态求解方法 287
8.6.5 电机在多转速范围、峰值功率运行时电磁振动特性仿真 294
8.6.6 电机在多转速范围、峰值功率运行时电磁噪声特性仿真 300
第9章 双边直线感应电机ANSYS Maxwell 2D/3D 电磁场仿真 306
9.1 实例描述及仿真策略 306
9.2 ANSYS Maxwell 2D 瞬态场有限元仿真分析 307
9.2.1 基本模型绘制 307
9.2.2 特殊边界条件在模型简化上的应用 309
9.2.3 材料、网格等前处理 310
9.2.4 定子法向力等自定义监测参数设定 313
9.2.5 常见直线电机曲线生成 313
9.2.6 自定义定子法向力分析 314
9.2.7 气隙磁场、次级电密的纵向分布提取 314
9.2.8 场处理器自定义场量输出 315
9.2.9 参数化处理在结构优化上的应用 315
9.3 ANSYS Maxwell 2D 涡流场有限元仿真分析 317
9.3.1 激励设置 317
9.3.2 求解设置 318
9.3.3 求解结果 320
9.4 ANSYS Maxwell 3D 瞬态场有限元仿真分析 322
9.4.1 3D 模型建立 322
9.4.2 定子绕组 328
9.4.3 完整电机模型绘制 330
9.4.4 材料、网格等前处理 332
9.4.5 自定义定子法向力监测参数设定 340
9.4.6 仿真分析设置 340
9.4.7 参数化仿真设置 341
9.4.8 气隙及次级板电磁场的横纵向分布提取 341
9.4.9 常见直线电机特性曲线 343
参考文献 346
第1章 有限元分析及ANSYS Maxwell/Workbench 2021 概述 002
1.1 有限元法简介 002
1.2 有限元法基本思想及求解步骤 002
1.3 有限元分析的发展趋势及FEA 软件 003
1.4 ANSYS 简介 004
1.5 ANSYS Electronics Desktop 2021 平台 005
1.5.1 项目新建及保存 006
1.5.2 Maxwell 基本运行界面 006
1.5.3 项目列表常用操作 007
1.5.4 ANSYS Maxwell 电磁场有限元仿真的一般流程 008
1.6 ANSYS Workbench 2021 平台及模块 009
1.6.1 Workbench 基本运行界面 009
1.6.2 模块区基本操作 009
1.6.3 ANSYS Workbench 多物理场耦合仿真的一般流程 015
第2章 ANSYS Maxwell 几何建模方法 018
2.1 坐标系简介 018
2.1.1 相对坐标系的创建 019
2.1.2 表面坐标系的创建 020
2.1.3 实体坐标系的创建 021
2.2 基本模型绘制方法 022
2.2.1 点、线、面、体的绘制 022
2.2.2 螺旋线的绘制 023
2.2.3 参数方程曲线的绘制 024
2.3 几何操作方法 025
2.3.1 布尔运算 025
2.3.2 等比例放大/缩小和拉伸、扫描 027
2.3.3 位置变换和复制 029
2.3.4 倒角和圆角 030
2.4 UDP 快速建模方法 031
2.5 参数化方法在建模中的运用 035
2.6 外部几何模型导入方法 035
2.7 RMxprt 一般电机模型快速建模法 036
2.7.1 模型选择 037
2.7.2 参数设定 037
2.7.3 模型生成 046
2.7.4 RMxprt 自定义槽形 048
第3章 ANSYS Maxwell 2D/3D 通用前处理流程 051
3.1 建立模型 051
3.2 设定求解类型 051
3.3 常见材料设置 053
3.3.1 材料库简介. 053
3.3.2 铁磁材料的添加 053
3.3.3 永磁材料的属性设置 056
3.3.4 导体材料的属性设置 060
3.3.5 考虑温度修正的材料参数化设置 061
3.4 设定运动区域 065
3.4.1 普通旋转电机运动设置 065
3.4.2 直线电机运动设置 066
3.4.3 多区域运动设置 068
3.4.4 三维模型运动边界 068
3.5 网格的类型及划分策略 069
3.5.1 网格划分默认设置 069
3.5.2 基于表面/内部网格剖分 071
3.5.3 曲线及曲面网格剖分 073
3.5.4 网格克隆 074
3.6 激励源设置 078
3.6.1 电流激励 078
3.6.2 电压激励 081
3.6.3 外电路激励 081
3.7 边界条件设定 082
3.7.1 常见边界条件分类 082
3.7.2 不同边界条件的适用范围 083
3.7.3 各边界条件的使用方法 084
3.8 自定义监测参数设定 087
3.8.1 电感参数 087
3.8.2 非直接求解模型受力/转矩参数 087
第4章 求解及后处理 089
4.1 求解参数设置 089
4.1.1 稳态求解器 089
4.1.2 频域求解器 092
4.1.3 时域求解器 094
4.2 结果后处理 097
4.2.1 查看求解数据 097
4.2.2 生成结果报表 098
4.2.3 绘制场量图 102
4.2.4 场图动画生成及不同参数下结果查看 104
4.2.5 场计算器简介及基本操作 106
4.2.6 场计算器自定义结果输出 108
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第5章 静磁场仿真分析 112
5.1 实例描述 112
5.2 二维静磁场 112
5.2.1 模型创建 112
5.2.2 设置求解域 113
5.2.3 设置激励 114
5.2.4 边界条件和力参数设置 115
5.2.5 求解设置 115
5.2.6 求解数据 115
5.3 三维静磁场 117
5.3.1 模型设置 117
5.3.2 激励设置 118
5.3.3 设置求解域 119
5.3.4 设置扭矩参数 119
5.3.5 分析和结果 119
第6章 油浸式变压器不同工况下电磁及Simplorer 场路耦合仿真 121
6.1 实例描述及仿真策略 121
6.2 变压器电磁场仿真分析 121
6.2.1 模型建立及前处理 121
6.2.2 计算结果查看 125
6.3 基于Simplorer（Twin Builder）的变压器场路耦合仿真 125
6.3.1 Simplorer 基本运行界面 126
6.3.2 空载工况仿真分析 127
6.3.3 短路工况仿真分析 129
6.3.4 负载工况仿真分析 129
第7章 笼型转子感应电机快速电磁计算及电磁-温度场耦合仿真 131
7.1 实例描述及仿真策略 131
7.2 RMxprt 快速建模及电磁性能计算 131
7.2.1 模型选择及基础参数设置 131
7.2.2 激励及求解参数设定 137
7.2.3 电磁计算结果及特性曲线查看 138
7.3 ANSYS Maxwell 2D 有限元模型电磁场仿真分析 144
7.3.1 RMxprt 一键导出建模 144
7.3.2 边界条件、激励设置、网格划分等前处理 151
7.3.3 电感及二维斜槽求解设定 156
7.3.4 求解设置及常规结果查看 157
7.3.5 气隙磁密求取及FFT 分析 162
7.3.6 多模型多工况参数化批量求解方法 165
7.3.7 基于ACT 插件生成效率Map 图 168
7.4 ANSYS Maxwell 3D 有限元模型电磁场仿真分析 172
7.4.1 RMxprt 一键导出建模 172
7.4.2 前处理及求解设置 173
7.4.3 结果输出及后处理 177
7.5 基于Motor-CAD 的感应电机电磁、热分析和效率Map 图计算 179
7.5.1 Motor-CAD 基本界面及介绍 180
7.5.2 电磁性能求解 183
7.5.3 稳态温升求解 188
7.5.4 瞬态温升求解 196
7.5.5 效率Map 图计算 198
7.5.6 路谱图求解 201
第8章 内置式永磁同步电机电磁-温度-结构多场耦合仿真 204
8.1 实例描述及仿真策略 204
8.2 RMxprt 快速建模及电磁性能计算 205
8.2.1 模型选择及基础参数设置 205
8.2.2 激励及求解参数设定 208
8.2.3 电磁计算结果及特性曲线查看 208
8.3 ANSYS Maxwell 2D 有限元模型电磁场仿真分析 213
8.3.1 RMxprt 一键导出建模 213
8.3.2 基于UDP 的永磁同步电机Maxwell 2D 几何建模 213
8.3.3 空载工况气隙磁场及空载感应电势谐波提取 224
8.3.4 空载齿槽转矩的计算 228
8.3.5 带载工况下电磁转矩、功率计算方法及磁场分析 229
8.3.6 交直轴电流、电感、磁链计算 231
8.3.7 基于参数化扫描的电机转矩-功角特性曲线 233
8.3.8 基于参数化扫描的空载反电势-转速特性曲线 236
8.3.9 基于参数化扫描的转子结构尺寸对电机性能影响分析 238
8.3.10 基于ACT 插件生成效率Map 图 243
8.3.11 永磁体抗退磁能力模拟计算 246
8.4 ANSYS optiSLang 模块在永磁同步电机优化的应用 250
8.4.1 ANSYS optiSLang 模块介绍 250
8.4.2 基于Workbench 平台的Maxwell 参数化模型建立 251
8.4.3 基于optiSLang 和Workbench 平台的电机参数灵敏度分析 255
8.4.4 基于optiSLang 和Workbench 平台的电机多目标优化设计 259
8.5 基于Maxwell-Fluent 的永磁同步电机电磁-热耦合仿真方法 263
8.5.1 电磁-热耦合仿真模型的建立 263
8.5.2 Maxwell 2D 电磁场损耗求解 264
8.5.3 流体场模型导入和剖分设置 265
8.5.4 气隙的等效处理及其热导率的计算 268
8.5.5 定子绕组、漆膜及槽绝缘层热导率等效、装配间隙热阻等效 269
8.5.6 Fluent 3D 仿真计算设置 272
8.5.7 计算结果及后处理 278
8.6 基于Workbench 永磁同步电机振动噪声特性多物理场耦合仿真 279
8.6.1 电机振动噪声的产生方式及分类 279
8.6.2 振动和噪声特性多物理场仿真流程 281
8.6.3 电磁场定子齿部电磁力密求解方法 282
8.6.4 电机结构场模态求解方法 287
8.6.5 电机在多转速范围、峰值功率运行时电磁振动特性仿真 294
8.6.6 电机在多转速范围、峰值功率运行时电磁噪声特性仿真 300
第9章 双边直线感应电机ANSYS Maxwell 2D/3D 电磁场仿真 306
9.1 实例描述及仿真策略 306
9.2 ANSYS Maxwell 2D 瞬态场有限元仿真分析 307
9.2.1 基本模型绘制 307
9.2.2 特殊边界条件在模型简化上的应用 309
9.2.3 材料、网格等前处理 310
9.2.4 定子法向力等自定义监测参数设定 313
9.2.5 常见直线电机曲线生成 313
9.2.6 自定义定子法向力分析 314
9.2.7 气隙磁场、次级电密的纵向分布提取 314
9.2.8 场处理器自定义场量输出 315
9.2.9 参数化处理在结构优化上的应用 315
9.3 ANSYS Maxwell 2D 涡流场有限元仿真分析 317
9.3.1 激励设置 317
9.3.2 求解设置 318
9.3.3 求解结果 320
9.4 ANSYS Maxwell 3D 瞬态场有限元仿真分析 322
9.4.1 3D 模型建立 322
9.4.2 定子绕组 328
9.4.3 完整电机模型绘制 330
9.4.4 材料、网格等前处理 332
9.4.5 自定义定子法向力监测参数设定 340
9.4.6 仿真分析设置 340
9.4.7 参数化仿真设置 341
9.4.8 气隙及次级板电磁场的横纵向分布提取 341
9.4.9 常见直线电机特性曲线 343
参考文献 346
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