ANSYS Maxwellの機能

電磁界シミュレーション

ANSYS Maxwellは、静止型周波数領域、時間依存性電磁界および電界を解析するために、極めて精度の高い有限要素法を使用する、主要な低周波電磁界シミュレーションのソリューションです。Maxwellには、電磁気および電気機械装置用の完全な設計フローに向けた様々な種類のソリューションが搭載されています。

ANSYS Maxwellに含まれるソルバー:

  • 過渡磁場解析 — 以下を用いた非線形解析:
    • 剛体動作 — 回転運動、並進運動、非円筒回転運動
    • 外部回路結合
    • 永久磁石の減磁解析
    • 鉄損計算
    • 2D/3D用の製造プロセスの依存性を含む積層モデリング
    • 永久磁石減磁の非可逆的温度依存性
    • 磁気ベクトルヒステリシス
    • 2D/3D環境の磁気抵抗モデリング
  • 交流電磁(AC Electromagnetic) — スキン/近接効果、渦/変位電流の影響を受けた機器の解析
  • 静磁場解析(Magnetostatic) — 自動化された等価回路モデルの生成を用いた非線形解析
  • 電場(Electric Field) — 自動化された等価回路モデルの生成を用いた、過渡磁場解析、静電場/電流フロー解析
電磁界シミュレーション

自動アダプティブメッシング

Maxwellの主なメリットの1つは自動アダプティブメッシング技術であり、指定する必要があるのは形状、材料特性および目標出力のみです。このメッシュ生成プロセスでは、ロバスト性の高い体積メッシュ生成(tau)テクノロジーが使用され、使用するメモリ量を低減し、シミュレーション時間を短縮するマルチスレッド機能が含まれています。この実証済みの技術は有限要素メッシュの構築と精緻化の複雑さを解消し、高度な数値解析が組織の全レベルにおいて実用的なものとなります。

自動アダプティブメッシング

ハイパフォーマンスコンピューティング

ANSYS Electronics HPCライセンスをMaxwellに追加することにより、規模、速度、忠実度が増したシミュレーションの世界が展開されます。ANSYSは単なるハードウェアアクセラレーションの域を超えて、単一のマルチコアマシンに対して最適化され、クラスターの全能力を活用するようにスケールすることが可能な画期的な数式ソルバーとHPC手法を提供します。

クラウドHPC
ANSYS Cloudサービスにより、高性能コンピューティング(HPC)へのアクセスと利用が極めて容易になります。これは、HPC向けの代表的なクラウドプラットフォームであるMicrosoft® Azure™とのコラボレーションにより開発されました。これは、ANSYS Electronics Desktopに統合されているため、設計環境から無制限にオンデマンドで演算パワーにアクセスすることができます。詳細は、ANSYS Cloudのページをご覧ください。

時間分割法
時間分割法は、電動モータ、平面磁気、電力変圧器に必要とされる、完全な過渡磁場シミュレーションに対応する計算能力と速度を提供します。この特許申請中の技術は、複数のコア、ネットワーク化されたコンピュータ、計算クラスターを通じて時間ステップを分布させながら、逐次的ではなく同時にすべての時間ステップを解析します。その結果は、シミュレーションの処理能力と速度の飛躍的な向上です。

マルチスレッド化
解析時間を短縮するために、単一のコンピュータで複数のコアを活用します。マルチスレッド化技術は、メッシュ生成の初期処理、ダイレクトおよび反復マトリクス解析、磁場回復を高速化します。

スペクトル分解法
電磁界シミュレーションの大部分では、RLCパラメータ、トルクおよび損失などの結果が必要です。スペクトル分解法は、周波数掃引を加速させるために、並列計算コアで複数の周波数ソリューションを分布させます。この手法は、マルチスレッド化の並行処理に使用することが可能です。マルチスレッド化は、スペクトル分解が複数の周波数ポイントを並行処理する一方で、各周波数ポイントの抽出を加速させます。

時間分割法を用いた誘導機解析に対する高速シミュレーション性能
時間分割法を用いた誘導機解析に対する高速シミュレーション性能

マルチドメインシステムのモデリング

Simplorerは、システムレベルのプロトタイプのモデリング、シミュレーション、および解析に対応する強力なプラットフォームで、ANSYS Maxwell、ANSYS HFSS、ANSYS SIwave、およびANSYS Q3D Extractorと統合されています。製品開発チームによるソフトウェア制御下のマルチドメインシステム設計性能の検証および最適化を可能にします。柔軟性に優れたモデリング機能と、ANSYS 3D物理シミュレーションとの緊密な統合によって、Simplorerはシステムレベルの物理モデルの組み立てとシミュレーションを広範にサポートし、コンセプト設計、詳細解析、システム検証間の相互関係を打ち立てることができます。Simplorerは、電化システム設計、発電、電力変換、電力貯蔵および配電の用途、EMI/EMC調査および一般的なマルチドメインシステム最適化と検証に理想的です。

マルチドメインシステム

主要機能:

  • 回路シミュレーション
  • ブロック図シミュレーション
  • ステートマシンシミュレーション
  • VHDL-AMSシミュレーション
  • 統合グラフィカルモデリング環境
  • パワーエレクトロニクス機器とモジュールの特性評価
  • MathWorks Simulinkとのコシミュレーション

モデルライブラリ:

  • アナログとパワーエレクトロニクスコンポーネント
  • コントロールブロックとセンサー
  • 機械コンポーネント
  • 油圧コンポーネント
  • デジタルとロジックブロック

用途固有のライブラリ:

  • 航空宇宙電気ネットワーク
  • 電気自動車
  • 電力システム
  • 特性化したメーカーコンポーネント
  • 次数低減モデリング

 


マルチフィジックス

Maxwellの電磁界ソルバーは、ANSYS Workbenchを通して、完全なANSYSのエンジニアリングポートフォリオにリンクされます。電磁界ソリューションをその他のソルバーと連成させることで、 信頼性問題を解消し、安全で効果的な製品を設計するために、連成物理現象を観察し、最も忠実度の高いソリューションを達成することができます。ANSYSプラットフォームは、以下のような複雑な連成挙動を容易に設定し分析できるように、物理ソリューション間のデータ伝送を管理し、ソルバーの相互作用を処理します:

  • 変形メッシュフィードバックによる電磁界 – 構造
  • 磁気特性に対する応力と歪みのフィードバックによる電磁 – 構造
  • 電磁 – 流体
  • 電磁 – 構造 – 流体
  • 電磁 – 構造ダイナミクス – 音響

ノイズ、振動、ハーシュネス

ANSYS Maxwellには、電気機械と変圧器のノイズ、振動、ハーシュネス(NVH)解析に対応する、重要な新機能があります。NVHは、ハイブリッド車/電気自動車、アプライアンス、商用変圧器、およびその他、静かな動作が重要不可欠な設計パラメータとなる用途で用いられるモータのメーカーが要求する重要な解析です。双方向の一時的な磁歪結合により、磁歪力を磁力に付加し、音響ノイズを予測する機械設計に結合することができます。

アプリケーション概要 - 電気機械ノイズと振動を参照



電動モータ冷却システム設計:流跡線、静圧および温度分布
電動モータ冷却システム設計:電力損入力(Maxwellソリューションに基づく)を用いた、流跡線、静圧力、温度分布(CFDソリューションに基づく)



エキスパート設計インターフェース

Maxwellは、電気機械と電力変換器のために特化された2種類の設計インターフェースを搭載しています。

RMxprt – 回転電気機械
RMxprtは機械性能を評価し、初期のサイジング決定を行い、何百もの「what if」解析を数秒の間に実行します。標準のモータ性能計算を提供するほかに、RMxprtは、Maxwellでの詳細な有限要素法解析のために、形状、運動、機械的な構成設定、材質特性、鉄損、屈曲、およびソース設定を自動生成します。さらに、RMxprtは、ANSYS IcepakでCFDを使用して、詳細なエレクトロニクス冷却シミュレーションのために、形状、対応する材質特性の割り当て、境界、および励振条件を自動生成します。

PExprt – 電子回路用変圧器とインダクタ
PExprtの変圧器とインダクタ用のテンプレートベースのインターフェースでは、電圧波形またはコンバータの入力から設計を自動生成することが可能です。自動設計プロセスは、コア形状、サイズ、材料、差異、ワイヤのタイプとゲージ、屈曲方法のすべてを考慮し、磁気設計を最適化します。PExprtはMaxwellモデルを生成して、有限要素法解析に基づく磁気特性を評価します。これにより、コアの磁束密度や屈曲内の電流密度分布などの分量を評価することが可能になります。

電気機械設計解析用のMaxwellモデルの自動生成を用いたテンプレートベースのソリューション
電気機械設計解析用のMaxwellモデルの自動生成を用いたテンプレートベースのソリューション
電子回路用変成器と平面磁界配位用のMaxwellモデルの生成を用いたテンプレートベースのソリューション
電子回路用変成器と平面磁界配位用のMaxwellモデルの生成を用いたテンプレートベースのソリューション

最適化とパラメトリックモデリング

パラメータ化と最適化は、シミュレーション主導の製品開発を実現する主要な要素です。パラメータ解析は、エンジニアリングに関する的確な判断をできるように、設計変数に基づいた設計空間の詳細な理解を提供します。最適化アルゴリズムは、ソフトウェアがより優れた設計を自動的に見出すことを可能にします。Maxwellで利用可能なパラメータ化および最適化機能には、以下が含まれます:

パラメータ解析

  • パラメータに対するユーザー指定の範囲とステップ数
  • パラメータ配列の自動解析
  • 多様なハードウェアプラットフォームにわたる自動ジョブ管理およびパラメータテーブルと研究用のデータ再構築

最適化

  • 以下を含む、ユーザーによる選択が可能なコスト関数と達成目標:
    • 準ニュートン法
    • 逐次非線形プログラミング(SNLP)
    • 整数限定逐次非線形プログラミング

感度解析

  • 設計変更は、以下に対する感度の決定を検討します:
    • 製造公差
    • 材質特性

変数調整

  • リアルタイムの変数調整表示と結果用のユーザーによる制御可能なスライドバー

統計解析

  • 設計性能分布対パラメータ値
電気機械のパレートフロント解析
電気機械のパレートフロント解析

高度な強磁性体モデリング

電気機械性能の正確な推測は、動作温度とそのコンポーネントの荷重履歴によって左右されることが多くあります。これらの効果は、Maxwellの高度な材料モデリング機能によって正確に解明することが可能です。

ベクトルヒステリシス
ANSYS Maxwellは、ベクトルヒステリシスモデルを用いて、軟質および硬質磁性材料と永久磁石に対するマイナーループと損失を正確に推測します。このモデルは、等方性および非等方性材料の両方、積層および非積層構造、また磁気動作点履歴がそのような装置の性能に重大な影響を及ぼす場合に強磁性体の磁気的挙動を解明します。

温度依存永久磁石
ANSYS Maxwellの消磁解析機能により、第3象限にまで及ぶ永久磁石の消磁特性を調べることができます。外部磁場および加熱は、硬磁性材料の磁気特性を変え、消磁に至る可能性があります。これらの影響を組み合わせて、機械の性能を正確に求めることができます。

鉄損
Maxwellは、磁性材料における鉄損を正確に計算します。積層コンポーネントとモータアセンブリにおける減磁の推測は、材料供給業者によって提供される未使用材料と現実の動作条件下での実際の材料の性能間の差異があるため困難です。Maxwellは、推測可能で信頼性が高く、かつ使いやすい特殊なアルゴリズムに基づいた鉄損失のフィードバックを考慮します。

磁歪
ANSYS MaxwellとANSYS Mechanicalソルバー間の逐次荷重伝達の連成に基づいて、設計者は磁性特性が機械応力と歪みに強く依存する材料をモデル化することができます。これらの効果は、強磁性コアにおける摩擦熱に起因するエネルギー損失を引き起こします。また、変圧器から聞こえる可能性がある低い振動音の原因でもあります。この振動音は振動する交流電流によって発生し、それにより変化する電磁界が形成されます。同じように、回転電動機の場合、主に磁気抵抗力および固定子歯に作用する磁歪による作用力によってノイズ放射が生じます。

ベクトルヒステリシスモデリングを採用したヒステリシスモータ上の電磁界分布
ベクトルヒステリシスモデリングを採用したヒステリシスモータ上の電磁界分布
損失密度分布と静的温度分布の曲線 IPMモータ設計のPM減磁研究
電磁界と熱負荷の作用による局部減磁を考慮した、異なるレベルの性能(トルクプロファイル)推測を図解する、IPMモータ設計に関するPM減磁の研究
電力変圧器の積層コアの鉄損分布
音響解析の対応する周波数応答による電磁界の状態に起因する、電力変圧器積層コアの鉄損分布および固定子枠の変形
音響解析のための対応する周波数応答による電磁界の状態に起因する固定子枠の変形

シミュレーション向けGrantaの材料データ

ANSYS Electronics Desktopのシミュレーション向けANSYS Grantaの材料データのデータセットにより、豊富な材料情報を簡単に活用できます。最新の一般材料が700以上、生産者固有の材料が500以上も収録されたライブラリに簡単にアクセスし、電気装置や電子機器のモデリングに利用できます。このデータセットには、温度依存の機械特性および熱特性に加え、電磁材料特性も含まれています。すべての材料データはシミュレーション対応なので、データを検索して入力し、適切なフォーマットに変換するという手間をかけることなく、設計に使用できます。鉄金属および非鉄金属、産業用樹脂、各種のセラミック、コンクリート、ガラス、木材、複合材料、液体、気体、はんだ、PCBラミネートが網羅されています。製品開発時に十分な情報に基づいた選定をするために役立つ、大規模な材料データベースです。Electronics Desktopとその他ANSYS製品の複数のソルバー間で材料データベースが統一されているため、様々なマルチフィジックスシミュレーションを行う際に、同一の材料特性が使用されることを確実なものとします。

シミュレーション向け材料データのコアデータセットにおいて、各レコードには、より幅広い材料グレードを表す一般材料タイプの説明が提供されています。そのため、候補となるあらゆる材料の特性を簡単に比較でき、初期段階における解析にも役立ちします。ANSYS Maxwellではさらに、磁性材料の生産者固有グレードに関するB-H曲線や鉄損失のデータを提供する500以上のレコードを利用できます。電気機械シミュレーションに重要なデータであり、より正確な解析を可能にします。材料情報分野のリーダーであるANSYS Grantaによって照合された正確かつ信頼できるデータを使用することで、機器の性能、正確さ、信頼性を向上させ、製品リリースの遅れを防ぎます。

シミュレーション向けGrantaの材料データ