工程电磁场实验报告

工程电磁场仿真实验

报告

——叠钢片涡流损耗Maxwell 2D仿真分析

（实验小组成员：陈文玉 徐晨波 葛晨阳 郭鹏程 陈栋）

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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，交变设备由脉宽调制波形所产生的涡流损耗不仅降低了设备的整体性能，也产生了热，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

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8.12um，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

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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

叠钢片涡流分析

1、 f=1HZ时

P=1.92719e-006 W

2、

f=60HZ时

P=6.95632e-003W

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3、

f=360HZ时

P=2.45084e-001W

4、 f=1kHZ时

P=1.64837e+000 W

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5、 f=2kHZ时

P=4.58856e+000 W

6、 f=5kHZ时

P=9.56395e+000W

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7、 f=10kHZ时

P=1.28198e+001W

Hmin可由图中读出，根据Bmin=(2000*4π*10e-7)*Hmin,可得Bmin。

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F（Hz） 1 60 360 1k 2k 5k 10k Hmin 397.77 397.64 393.14 365.67 301.63 164.02 80.12 Bmin（T） 0.9997 0.9994 0.9881 0.9190 0.7581 0.4122 0.2014

五、

实验数据

不同频率下的Bmin和P

F（Hz） 1 60 360 1k 2k 5k 10k Bmin（T） 0.9997 0.9994 0.9881 0.9190 0.7581 0.4122 0.2014 P（W） 1.92719e-006 6.95632e-003 2.45084e-001 1.64837e+000 4.58856e+000 9.56395e+000 1.28198e+001 叠钢片的涡流分析

1、 实验数据与低频下损耗的理论计算公式的比较

t22B2V低频涡流损耗的计算公式为：P24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。 Maxwell 2D所获得的功率损耗値是假定叠片钢在Z方向上具有单位长度

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（1m）时而计算出来的。因此，上式中的体积显然需要按以下公式计算：

V12.71030.35610314.5212106 m3

经计算，可得到频率小于2KHz的各个频率的涡流损耗：

低频功率损耗值计算结果与实验值的比较

F（Hz） 1 60 360 1k 2k 5k 10k Bmin（T） 0.9997 0.9994 0.9881 0.9190 0.7581 0.4122 0.2014 P（W）[理论] 1.9605e-006 7.0578e-003 2.5408e-001 1.9605e+000 7.8420e+000 4.9012e+001 1.9605e+002 P（W）[实验] 1.92719e-006 6.95632e-003 2.45084e-001 1.64837e+000 4.58856e+000 9.56395e+000 1.28198e+001 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，应使用高频我流损耗公式计算。

2、 实验结果和高频损耗计算公式的比较

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式中，S为叠片表面积；为磁场强度切向分量；为叠片电导率；为叠片相对磁导率；为外加磁场角频率；为单位表面积叠片的阻抗；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。

高频数值功率损耗值计算结果与实验值的比较

F（Hz） 2k 5k 10k 3实验误差与结果分析

功率损耗值相对误差表格 F(Hz) 1 .

Bmin（T） 0.7581 0.4122 0.2014 P（W）[理论] 5.6918 9.0000 12.7270 P（W）[实验] 4.58864 9.56393 12.8196 P 1.67% .

60 360 1K 2K 5K 10K 1.44% 3.54% 15.92% 41.5%（低） 19.4%（高） 80.5%（低） 6.3%（高） 93.46%（低） 0.73%（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。并且，频率较低和频率较高时相对于中间值的频率而言，他们的相对误差也更低。 频率越高时功率损耗也越大。

六、实验总结

Maxwell 2D是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件，一般在电磁物体满足轴向均匀或RZ对称的条件下采用。它采用图形化的设计界面，可以直观、快捷地进行电磁场的仿真。

Maxwell 2D 通常适合处理二维交流磁场、二维直流磁场、二维静电场、二维瞬态场、二维等效电路发生器、二维参数分析等等。不仅如此，它具有强大的后处理能力，在仿真结束之后，还可以通过后处理工具对得到的数据进行多种分析。

通过此次实验，我初步了解、掌握使用Ansoft公司出产的Maxwell 2D软件的基本操作以及使用方法，独立并完整地进行了实验“叠片钢涡流损耗分析”，并撰写此试验报告。

我认为基于Maxwell 2D软件，能够解决电磁场领域的一些基本问题，且对于日后电气工程及其自动化专业的递进学习具有相当的意义。Maxwell 2D软件的界面形式非常简单，且操作步骤相对固定：①建立几何模型；②指定材料属性；③指定边界条件；④求解条件。而Maxwell 2D强大的后处理功能不仅能直观的显示场量的分布，还能相关变量的函数关系，更能进行关键系统的分析。这表明Maxwell 2D软件具有合理的实验性以及高度的工程模拟性。

在今后《工程电磁场》的模拟和实验中，不仅需要认真操作，更应理性思考实验背后隐含的数据关系和实验原理，只有对实验进行深刻的分析才能得到

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更有意义的结论。

经过本次试验是我对于Maxwell软件的应用更加熟悉对于仿真的操作步骤及过程有了更深的认识，并且通过实验的内容使我对于涡流和涡流损耗有了一些了解，同时在实验过程中对工程电磁场学科产生了一些热情，觉得本门课程深奥和有趣，同时也感谢指导老师在实验中的指导，谢谢您。

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