如何計(jì)算交流線圈上方磁鐵受力

來(lái)源：CST仿真專家之路更新時(shí)間：2024-06-23 閱讀：

低頻時(shí)域求解器(LT-Solver)可用于求解時(shí)域中的瞬態(tài)電磁場(chǎng)問(wèn)題，它可以計(jì)算隨時(shí)間變化的損耗和能量，也可以計(jì)算力和扭矩。低頻時(shí)域求解器可以求解兩種類型的方程：準(zhǔn)靜磁 (MQS)和準(zhǔn)靜電 (EQS)。由于線圈中通交變電流，因此需要采用LT-Solver，因?yàn)長(zhǎng)T-Solver才可以設(shè)置Excitation Signal。

1.首先新建一個(gè)仿真工程（在此示例中我們選擇不使用仿真模板創(chuàng)建新的仿真工程）：?jiǎn)?dòng)CST后，點(diǎn)擊功能區(qū)的File選項(xiàng)卡，進(jìn)入到下圖所示的界面。選擇New and Recent，點(diǎn)擊頁(yè)面左下角的3D Simulation，在其下拉菜單中選擇Low Frequency后，進(jìn)入到仿真工程界面。

2.新建仿真工程后，首先在 Home 選項(xiàng)卡下點(diǎn)擊Units圖標(biāo)，進(jìn)入下圖所示對(duì)話框，將單位設(shè)置為mm, Hz, s。

3.在 Home 選項(xiàng)卡下展開(kāi)Setup Solver圖標(biāo)的下拉菜單，選擇LF Time Domain Solver，將求解器切換到低頻時(shí)域求解器。

4.創(chuàng)建線圈，首先創(chuàng)建一個(gè)矩形來(lái)定義線圈的橫截面：在Modeling選項(xiàng)卡下，展開(kāi)Curves的下拉菜單，點(diǎn)擊Rectangle，按ESC鍵彈出對(duì)話框。

5.在彈出的Rectangle對(duì)話框中，按下圖所示輸入矩形截面的尺寸，然后點(diǎn)擊OK按鈕完成。

6.創(chuàng)建線圈的路徑：在Modeling選項(xiàng)卡下，點(diǎn)擊Local WCS圖標(biāo)，激活局部坐標(biāo)系，然后點(diǎn)擊Local WCS圖標(biāo)旁邊的Transform WCS圖標(biāo)，彈出Transform Local Coordinate System對(duì)話框，將局部坐標(biāo)系繞V軸旋轉(zhuǎn)90°。

7.再創(chuàng)建一個(gè)矩形來(lái)定義線圈的路徑，在Modeling選項(xiàng)卡下，展開(kāi)Curves下拉菜單，點(diǎn)擊Rectangle，按ESC鍵彈出Rectangle對(duì)話框。按下圖所示輸入矩形的尺寸，點(diǎn)擊OK按鈕完成。

8.在Simulation選項(xiàng)卡下，點(diǎn)擊線圈圖標(biāo)的下拉菜單，選擇Coil。然后在3D界面中先雙擊線圈矩形輪廓rectangle1，再雙擊線圈路徑rectangle2，彈出Define Coil的對(duì)話框。

9.在彈出的對(duì)話框中設(shè)置線圈電流為5A，線圈匝數(shù)為100，然后點(diǎn)擊OK按鈕完成，這樣就創(chuàng)建了一個(gè)線圈。

創(chuàng)建好的線圈如下圖所示：

10.創(chuàng)建位于線圈上方的磁鐵：在Modeling選項(xiàng)卡下點(diǎn)擊六面體圖標(biāo)，彈出Brick對(duì)話框。

11.在彈出的對(duì)話框中按下圖所示尺寸創(chuàng)建磁鐵，其中磁鐵與線圈的垂直距離（W方向上）設(shè)為變量d，d初始值設(shè)為2。在Material一欄中，在其下拉選項(xiàng)中選擇Load from Library，進(jìn)入到Load from Material Library對(duì)話框。

12.在Load from Material Library對(duì)話框搜索steel，選擇Steel-1008，此材料通過(guò)軟磁BH曲線來(lái)描述其非線性特性。點(diǎn)擊下方的Load按鈕后，將Steel-1008從CST材料庫(kù)中加載并使用，然后回到Brick的對(duì)話框，點(diǎn)擊OK按鈕完成。

模型創(chuàng)建完成，如下圖所示：

13.設(shè)置邊界條件：在Simulation選項(xiàng)卡下，點(diǎn)擊Boundaries圖標(biāo)，彈出Boundary Conditions對(duì)話框，在所有方向上均設(shè)置為電邊界。

14.設(shè)置背景屬性：在Simulation選項(xiàng)卡下，點(diǎn)擊Background圖標(biāo)，在結(jié)構(gòu)周圍增加一些空間，建議背景加大一些。此示例中增加的空間如下圖所示，僅作參考；要想更準(zhǔn)確，需要進(jìn)行邊界條件收斂驗(yàn)證，一般大一點(diǎn)更準(zhǔn)，但所需仿真時(shí)間更長(zhǎng)。

15.設(shè)置網(wǎng)格：在Simulation選項(xiàng)卡下，點(diǎn)擊Global Properties圖標(biāo)，彈出網(wǎng)格屬性對(duì)話框，按下方右圖所示設(shè)置網(wǎng)格，點(diǎn)擊OK完成。網(wǎng)格數(shù)量可以適當(dāng)增加，對(duì)提高精度也有好處。

16.創(chuàng)建一個(gè)交流激勵(lì)信號(hào)，在導(dǎo)航樹(shù)中選中Excitation Signals，然后右鍵選擇New Excitation Signal，彈出激勵(lì)信號(hào)對(duì)話框。

17.在彈出的Excitation Signal對(duì)話框中，信號(hào)命名為signal1，Signal type選擇正弦信號(hào)Sine，信號(hào)持續(xù)時(shí)間Ttotal為1s，信號(hào)頻率Frequency為10Hz，點(diǎn)擊OK完成。

18.設(shè)置場(chǎng)監(jiān)視器：在Simulation選項(xiàng)卡下，點(diǎn)擊Field Monitor圖標(biāo)，彈出3D Field Monitor對(duì)話框。

19.在Type一欄選擇B-Field，Start time設(shè)置為0， Step width設(shè)置為0.05，然后點(diǎn)擊Apply按鈕，磁感應(yīng)強(qiáng)度監(jiān)視器設(shè)置完成。按照同樣的方式，在Type的下拉菜單中選擇磁場(chǎng)H-Field、電場(chǎng)E-Field和Cond. Current Dens.，設(shè)置磁場(chǎng)/電場(chǎng)/電流監(jiān)視器。

20.定義力監(jiān)視器：如果要計(jì)算力，必須定義監(jiān)視器。在Simulation選項(xiàng)卡下，點(diǎn)擊Monitor on Entity的下拉菜單，選擇Monitor on Volume，彈出對(duì)話框。Type一欄設(shè)置為Force and Torque（力和扭矩），Monitor Volume一欄選擇磁鐵solid1，也就是監(jiān)控磁鐵上所受的力。點(diǎn)擊OK按鈕完成。

21.在Simulation選項(xiàng)卡下，點(diǎn)擊LT求解器圖標(biāo)，進(jìn)入低頻時(shí)域求解器參數(shù)對(duì)話框。Equation type選擇Magnetoquasistatic（準(zhǔn)靜磁），網(wǎng)格類型為T(mén)etrahedral（四面體），仿真持續(xù)時(shí)間設(shè)為1.2s，時(shí)間積分類型選擇High order，時(shí)間步長(zhǎng)選擇Adaptive。高階方法對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)之間的結(jié)果進(jìn)行更精確的插值；而低階方法是假設(shè)時(shí)間步長(zhǎng)之間的解是線性變化的，所需計(jì)算時(shí)間更短。時(shí)間步長(zhǎng)可以選擇為Constant（恒定的）或者自適應(yīng)（Adaptive），時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)盡量設(shè)小一些。一般來(lái)說(shuō)，建議使用自適應(yīng)確定時(shí)間步長(zhǎng)，此示例中采用自適應(yīng)時(shí)間步長(zhǎng)的默認(rèn)設(shè)置。

22.在上圖的低頻時(shí)域求解器參數(shù)對(duì)話框中，點(diǎn)擊Excitations按鈕，進(jìn)入下圖所示的Excitation Selection對(duì)話框，激勵(lì)源選擇線圈coil1，激勵(lì)信號(hào)一欄選擇signal1，也就是前文中創(chuàng)建的正弦信號(hào)作為交流激勵(lì)信號(hào)。點(diǎn)擊OK完成，回到低頻時(shí)域求解器對(duì)話框，然后點(diǎn)擊Start按鈕運(yùn)行仿真。

仿真完成后，在導(dǎo)航樹(shù) Navigation Tree > 1D Results > Force文件夾下查看磁鐵受力情況，如下圖所示，可見(jiàn)磁鐵受力主要是沿-X方向，符合實(shí)際情況。還可以在導(dǎo)航樹(shù)中2D/3D Results文件夾下查看電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電流分布。