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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！

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