新功能 | 解锁Ansys Maxwell 2021 R1新版功能要点

Ansys Maxwell 2021 R1为2021年的第一个版本，该版本主要增强了以下几点功能：分别是全周期建模周期模型求解、利兹线分析、涡流场的体力密度耦合、温度相关的铁损BP曲线、时间平均场量输出、涡流求解器频率参数化、随空间变化的材料或温度输入、感应电机ECE ROM模型、ACT功能增强/发卡绕组UDP等等。本文将对上述新功能进行简要介绍。

利兹线广泛应用在开关电源和电机领域，完整的利兹线分析需要建立每根细小的单线，计算量非常大。Maxwell在之前版本中增加了利兹线建模功能，用户不再需要建立每根单线，只需建立利兹线外部轮廓，再把模型指定为利兹线模型，输入利兹线匝数、单线线径等信息、软件通过公式自动计算利兹线损耗，在后处理中利兹线损耗显示在StrandedLoss AC中。

此次新版本中新增利兹线阻抗矩阵的计算，对于利兹线模型，Maxwell采用(StrandedLoss AC+CoreLoss)/I2的方法计算利兹线电阻，该方法基于stranded绕组，考虑由集肤效应和邻近效应引起的绕组附加交流损耗，与实测更加接近。此功能用于修正利兹线阻抗矩阵的计算。

早期版本支持瞬态场与谐响应分析的耦合，该耦合仿真一般用于电机的NVH计算。新版本中增加单一频率下基于单元的体力密度的涡流场到谐响应分析的耦合。涡流场主要用于变压器等设备的电磁场分析，此功能可以实现基于涡流场的电磁力耦合到谐响应分析中，对变压器振动噪声进行仿真。Maxwell会自动设置结构场的工作频率是电频率的2倍。

早期版本中铁损曲线只支持单一温度，在同一温度下输入多个频率或者单一频率的铁损曲线，根据输入的曲线和Steinmetz公式Maxwell会拟合出Kh、Kc、Ke系数，这个系数不随温度而变化。

新版中对于瞬态场和涡流场求解器新增铁损模型“B-P Curve”，在Core Loss Model中选择B-P Curve，用户可以定义单一温度或多个温度下的铁损曲线，Maxwell根据公式自动抽取每个温度下的铁损系数Kh、Kc、Ke，同时可以对温度进行参数化扫描。铁芯的铁损系数不是固定的，而是与空间位置有关，铁损系数随空间的磁密和温度变化而变化。同时该功能也支持基于单元的电磁-热耦合分析。

阻抗边界条件主要应用在变压器设备，交变电流在铁磁材料中会产生涡流电流，由于涡流透入深度非常小，如精确仿真需要在透入深度内设置很精确的网格剖分，难度比较大。对于此问题工程上一般采用阻抗边界条件，在透入深度内不设置网格剖分，铁磁材料的损耗等参数由公式计算得出，此方法得到了工程上的验证。

新版本中在设置阻抗边界条件时可以使用温度相关的材料属性，阻抗边界条件下的电导率和磁导率可以与温度相关，允许用户通过定义函数的方式考虑温度对材料特性的影响。

瞬态场求解器显示的是某个时间点的场图，例如查看磁力线云图必须先选择某个时间点。对于损耗数据用户不希望看到某个时间点的数据，而是需要周期内的平均值。新版本中新增此功能，瞬态求解器可以显示时间平均的场图分布。当用户保存场数据后，Maxwell支持输出损耗或者Named Expressions中定义的场数据的时间平均值，场结果的时间平均云图可以在后处理场图中显示，该功能典型应用是在瞬态场中查看在一个电周期内损耗的分布。目前该功能仅支持T-Ω求解器（以后会支持 A-Φ求解器）。

之前版本中引入了pwl函数，该函数可以定义随时间变化的激励或随空间变化的负载等。新版本中引入clp函数，该函数是三维矩阵，自变量是X，Y，Z三个方向的坐标，即一系列空间点的集合。通过clp函数可以定义材料温度特性随空间的变化。该函数的表现形式是四列的文本文件，前三列是空间坐标点，第四列是温度值，该温度值可以是温度场求解的数据，也可以是测试的数据。定义空间材料温度数据的文件格式为.tab，该函数适用于2D/3D瞬态求解器。

同样的方法，使用clp函数可以指定随空间变化的材料属性，包括电导率Conductivity、磁导率Permeability以及介电常数Permittivity等。为了得到比较理想的插值精度，源数据（3D DataSet）需要足够多的数据点。

仿真电机的NVH性能时，Maxwell与Mechanical联合仿真可以得到多转速下的瀑布图，Maxwell把频域的电磁力数据传递到结构场中。当分析类似电机启动或电机加速过程中的振动噪声时，Maxwell需要把时变的电磁力耦合到结构场分析软件Motion中。Motion软件主要用于减速器的分析。

新版本中Maxwell增加了直接连接到Motion的接口，通过Maxwell 2D/3D瞬态求解器可以直接输出基于object力密度或基于element力密度到Motion软件中。通过Maxwell与Motion耦合分析，可以将齿轮箱和机械传动等刚性部件添加到电机和外壳中，分析电机和减速器共同作用下的振动噪声。

Maxwell与Mechanical耦合仿真时，Maxwell只需把定子的电磁力传递到结构场中；而Maxwell与Motion耦合仿真时，Maxwell要把定子和转子的电磁力都传递到Motion中。电机转子上的电磁力通过轴耦合到齿轮上，这样可以考虑电机和齿轮共同作用下的振动噪声问题。

把分析结果进行瑞利积分，取MIC上面的表面速度计算声压，再把数据耦合到噪声分析软件VRXPERIENCE Sound中，可以进行声音品质的设计和分析。

由于永磁电机转子表面没有涡流电流，所以ECE降阶模型更多适用于永磁电机。感应电机转子表面存在涡流，所以感应电机更多的是通过T型或L型等效电路的方式进行降阶处理。此次新版中增加了感应电机的高精度ECE降阶模型抽取功能，新功能基于涡流场求解器，把感应电机等效电路分解成直轴分量和交轴分量，然后在外电路中建立ECEIM模型，通过扫描电流以及转差率，推导具有涡流效应的多相感应电机ECE降阶模型。TwinBuilder/Simplorer软件可以直接访问该ECE降阶模型，新功能可应用于感应电机的矢量控制系统联合仿真和机电系统的EMC分析。

2021 R1新版本中Electrical Machine Toolkit ACT有较大的改进，主要包含：交流绕组损耗的改进计算、多相电机的map图计算、新的电机类型同步磁阻电机Map计算、新的电机类型开关磁阻电机Map计算、新的电机类型电励磁同步电机Map计算、求解速度的提升、定转子铁耗的分离。

1. 交流绕组损耗的改进计算。新版本提供了两种改进交流绕组损耗的计算方法。

利兹线建模: 在绕组的材料属性中，将“Composition”选项设置为“Litz Wire”, 并定义导线形状，并绕根数和单线尺寸，Machine Toolkit利用“StrandedlossAC” 计算结果作为绕组交流损耗。

用户自定义的Frequency vs. AC Resistance数据: 用户可以指定一个.txt文件，该文件是频率与交流电阻数据的表格。文件的第一行定义频率和电阻的名称以及单位，数据导入后Maxwell采用线性插值的方法得到需要频率下的交流电阻数据。

2. 多相电机的map图计算

新版本中支持2~7相永磁电机，感应电机，同步磁阻电机和绕线转子同步电机和2~8相的开关磁阻电机的map图的计算。对于除开关磁阻电机以外的所有电机类型，用户都可以使用命令行指定每个绕组的相移，建议第一个相移输入“ 0”。

3. 同步磁阻电机Map计算

同步磁阻电机计算方式与永磁同步电机一样，扫描变量为相电流的有效值、gamma角和转速。支持周期性和半周期性TDM。出于稳定性考虑，在电动机模式下，gamma范围为（45°~90°），在发电机模式下，gamma角范围为（90°~135°）。

4. 开关磁阻电机Map计算

开关磁阻电机扫描变量是电流、gamma角和转速。Toolkit目前支持2~8相的开关磁阻电机。用户需要在ACT中输入定子相数、转子极数、电流、滞环控制下的导通宽度等参数。

5. 电励磁同步电机Map计算

电励磁同步电机扫描变量为定子电流、gamma角、转速和励磁电流。四个变量都扫描的话会导致计算时间非常长。改进的方法是在ACT脚本内部取消转速扫描，以最大转速的一半进行仿真，并用这个结果评估其他转速下的结果。支持周期性和半周期性TDM计算。

6. 求解速度提升

新版本中ACT新增取消转速扫描的功能，当使用该功能时软件仅仿真参考转速（最大转速的一半），其他转速下的性能将根据参考速度的仿真结果进行推导，取消转速扫描后大大减少了仿真时间，提高仿真效率。该功能适用于永磁同步电机和同步磁阻电机。

7. 定转子铁耗分离

新版本中ACT新增定子和转子铁损分离的功能。当使用该功能时软件分别识别定子和转子中需要计算铁心损耗的部件，并最终输出两张Map图，分别显示定子和转子铁心损耗。由于转子铁损频率接近于0，所以转子铁损与转速关系不密切，但受电流影响比较大；定子铁损既跟电流有关又与转速有关，损耗主要集中在map图的右上角。

对于电机多转速NVH分析（Maxwell到Mechanical谐响应分析），新版本中新增转速插值功能，用户可以仅计算转速-转矩曲线的非均匀转速扫描点，软件会在两个求解的转速点之间均匀插入转速插值点。该功能可以与提高频率分辨率功能结合使用，并支持object based和element based谐波电磁力的插值。

UDP功能是用户自定义建模，Maxwell内部嵌入多个模型库，用户在UDP界面中输入一些模型的关键参数，软件会自动生成完整的几何模型。新版本中UDP新增发卡式绕组的模型库，支持整数槽发卡式绕组建立（具有多个闭合线圈回路的绕组，一个槽多个线圈）和分数槽发卡式绕组的建立（连接所有同相位线圈的一组或两组绕组，绕组引线延伸到外部）。同时提供与MotorCAD之间的无缝连接，创建发卡绕组电机模型，生成的模型在Maxwell中可高效率的划分网格。

随着电脑的发展，GPU的功能越来越强大，用户可以选择使用GPU辅助加速求解。新版本中GPU计算功能得到增强，GPU可以支持更多的3D求解器：涡流场、静磁场、瞬态磁场、静电场、直流传导场、瞬态电场、交流传导场（未来版本）。由下表可以看出，使用GPU加速100万左右的网格并没有明显的效果，但是对于150万甚至更多的网格，使用GPU求解速度明显增加，最高可以提速4倍左右。