低频电磁场仿真

ANSYS Maxwell 是一款顶尖的低频电磁场仿真解决方案,使用高精度的有限元方法来解算稳态、频域和时变电磁场和电场。Maxwell 为您的电磁和机电设备提供了包含各类解决方案的完整设计流程。

ANSYS Maxwell 求解器:

  • 磁性瞬态 — 非线性分析:
    • 刚体运动—旋转、平移、非柱形旋转
    • 外部电路耦合
    • 永磁铁退磁分析
    • 磁芯损耗计算
    • 包括制造工艺的二维和三维层叠建模
    • 永磁铁退磁的不可逆温度
    • 磁性矢量滞后
    • 二维╱三维磁阻建模
  • 交流电磁 — 分析受趋肤效应╱邻近效应、涡流╱位移电流影响的设备
  • 静磁 — 自动生成等效电路模型的非线性分析
  • 电场 — 自动生成等效电路模型的瞬态、静电╱电流分析
电磁场仿真

自动自适应网格生成

Maxwell 的一个关键优势是自动自适应网格划分技术,您只需指定几何形状、材料属性和期望输出,即可获得准确的解决方案。网格生成过程采用高度稳健的体积网格生成技术,且具备多线程功能,减少了内存使用量,缩短了求解时间。这种成熟的技术使有限元网格的构建和精细化变得轻松,并使高级数值分析适用于企业机构的各级别应用水平。

自动自适应网格划分

高性能计算

将 ANSYS 电子 HPC 许可证添加到 Maxwell,开创了一个更大、更快且更保真的仿真世界。ANSYS 不只是提供简单的硬件加速,还可提供开创性的数值求解器和 HPC 方法。HPC方法对单程多核机器进行优化和扩展,以便充分利用整个集群的优势。

云端 HPC
ANSYS Cloud 服务让高性能计算 (HPC) 功能的访问和使用也变得极为容易。它由 ANSYS 与 HPC 领先的云平台 — Microsoft® Azure™ 联手开发。ANSYS Cloud 已集成到 ANSYS Electronics Desktop,因此您可从设计环境中按需获取无限的计算能力。如需了解更多信息,请访问 ANSYS Cloud 页面。

时间分割法
时间分割法为电动机、平面磁性元件和电力变压器提供全瞬态电磁场仿真所需的计算能力和速度。这项专利待审技术使您能够同时而不必依次解决所有时间步长,同时将时间步长分布在多核、联网计算机和计算集群上。最终,仿真能力和速度显著提升。

多线程
利用单台计算机上的多核,缩短计算时间。多线程技术加快了初始网格生成、直接和迭代矩阵求解以及场修复的速度。

频谱分割法
大多数电磁仿真都要求提供 RLC 参数、扭矩和损耗等结果。频谱分割法将多频率的解分配在并行计算核心中,从而加速频率扫描。您可将这一方法与多线程结合使用。多线程加速提高每个单独频率点的提取,而光谱分割法并行执行多个频率点。

使用时间分割法实现感应机分析的高速仿真性能
使用时间分割法实现感应机分析的高速仿真性能

多域系统建模

Simplorer 是一个强大的平台,可进行系统级别数字原型建模、仿真和分析,且该平台集成了 ANSYS Maxwell、ANSYS HFSS、ANSYS SIwave 和 ANSYS Q3D Extractor。Simplorer 支持您验证并优化软件控制型多域系统的性能。Simplorer 具有灵活的建模功能,与 ANSYS 3D 物理仿真紧密集成,广泛支持装配和仿真系统级物理模型,还可帮助进行概念设计、详细分析和系统验证。Simplorer 适用于电力驱动系统设计、发电、电力转换、蓄电和配电应用以及 EMI/EMC 研究和通用多域系统的优化与验证。

多域系统

功能:

  • 电路仿真
  • 框图仿真
  • 状态机仿真
  • VHDL-AMS 仿真
  • 集成化图形建模环境
  • 电源电子设备和模块表征
  • 与 MathWorks Simulink 协同仿真

模型库:

  • 模拟器件和电源电子产品组件
  • 控制模块和传感器
  • 机械组件
  • 液压组件
  • 数字和逻辑模块

专业应用库:

  • 航天电子网络
  • 电动车辆
  • 电力系统
  • 制造商定制组件
  • 降阶模型

 


多物理场

Maxwell 电磁场求解器通过 ANSYS Workbench 与完整的 ANSYS 工程组合连接。通过将电磁场解决方案与其他求解器耦合,您可以研究耦合物理现象,实现最高保真度解决方案,从而消除可靠性问题,设计安全有效的产品。ANSYS 平台管理物理解决方案之间的数据传输,处理求解器交互,因此您可轻松设置和分析复杂的耦合物理行为,例如:

  • 电磁-结构,网格变形反馈
  • 电磁-结构,磁性能的应力和应变反馈
  • 电磁-流体
  • 电磁-结构-流体
  • 电磁-结构动力学-声学

噪音、振动和声振粗糙度

ANSYS Maxwell 配备新功能,可分析电机和变压器的噪声、振动和声振粗糙度 (NVH)。对混合动力/电动汽车、电器、商用变压器以及其他应用(无声运行作为重要设计参数的应用)中的电机制造商而言,NVH 是一个必要分析。双向瞬态磁致伸缩耦合分析能将磁致伸缩力添加到磁力并耦合到机械设计中,以实现噪音预测。

阅读应用简介 — 电机噪音和振动



电动机散热系统设计:路径、静态压力和温度分布
电动机散热系统设计:带功率损耗的输入路径(基于 Maxwell 解决方案)、静态压力和温度分布(基于 CFD 解决方案)



专业设计接口

Maxwell 为电机和功率转换器提供了两个专用的设计接口。

RMxprt ——旋转电机
RMxprt 可计算机器性能、执行初始尺寸决策,并在几秒内进行数百个“假设”分析。除了提供经典的电机性能计算外,RMxprt 还可自动生成几何形状、运动和机械设置、材料属性、磁芯损耗、绕组和源设置,以便在 Maxwell 中进行详细的有限元分析。此外,RMxprt 可自动生成几何形状、相应材料属性配置、边界和励磁条件,以便在 ANSYS Icepak 中使用 CFD 进行详细的电子冷却仿真。

PExprt ——电子变压器和电感器
PExprt 基于模板的变压器和电感器接口可根据电压波形或驱动器输入,自动创建设计。自动设计过程考虑了磁芯形状、尺寸、材料、间隙、线材类型和量规以及绕组策略等组合,旨在优化磁性设计。PExprt 可创建 Maxwell 模型,以便基于有限元分析评估磁性能。您可评估磁芯磁通密度和绕组电流密度分布等量值。

基于模板的解决方案,自动生成 Maxwell 模型,用于电机设计分析
基于模板的解决方案,自动生成 Maxwell 模型,用于电机设计分析
基于模板的解决方案,创建 Maxwell 模型,用于电子变压器和平面磁性配置
基于模板的解决方案,创建 Maxwell 模型,用于电子变压器和平面磁性配置

优化和参数化建模

参数化和优化功能是基于仿真的产品研发关键驱动因素。参数分析可助您深刻理解基于设计变量的设计空间,以便做出更好的工程决策。优化算法让软件能够自动搜索更好的设计。Maxwell 提供的参数化和优化功能包括:

参数分析

  • 用户指定参数范围和步数
  • 自动分析参数排列
  • 跨多硬件平台的自动作业管理,以及参数表和研究数据重组

优化

  • 用户可选择性成本函数和目标任务,包括:
    • 拟牛顿法
    • 顺序非线性规划 (SNLP)
    • 整数型序列非线性规划

灵敏度分析

  • 设计变化研究,确定下列灵敏度:
    • 制造公差
    • 材料属性

调整

  • 实时调整显示和结果的用户可控调整键

统计分析

  • 设计性能分布与参数值
电机Pareto-front分析
电机Pareto-front分析

高级电磁材料模型

部件的工作温度和负载历史通常决定了能否准确预测电机性能。采用 Maxwell 高级材料建模功能,可以准确计算这些影响。

矢量滞后
ANSYS Maxwell 采用矢量滞后模型准确预测软、硬磁性材料和永磁铁的微小环路及损耗。当各向同性和各向异性材料、层压和非层压结构,以及当磁性工作点记录对设备的性能具有显著影响时,该模型可解释铁磁材料的磁性行为。

永磁铁的温度特性
ANSYS Maxwell 的退磁分析功能可帮助研究延伸到第三象限的永磁铁退磁特性。外部磁场和加热会改变永久磁铁的磁性能,从而导致局部退磁。结合这些影响,您可以准确地确定机器的性能。

磁芯损耗
Maxwell 精确计算磁性材料中的磁芯损耗。材料供应商提供的原材料数据与实际操作条件下的实际材料性能存在差异,所以很难预测层压元件和电机组件中的电磁退化。Maxwell 基于可预测、可靠且易于使用的独特算法,考虑磁芯损耗效应反馈。

磁致伸缩
基于 ANSYS Maxwell 和 ANSYS Mechanical 求解器耦合的连续负载传递,设计人员可对与机械应力和应变密切相关的磁性材料进行建模。这些因素会导致铁磁芯中的摩擦起热,进而引起能量损失。这些因素还会导致变压器发出低沉的蜂鸣声,这是由磁场振荡交流电流变化引起。同样地,对于旋转电机,阻力和作用在定子齿上的磁致伸缩产生的应力也都是产生噪音的主原。

采用磁性矢量滞后模型的磁滞电机磁场分布
采用磁性矢量滞后模型的磁滞电机磁场分布
损耗密度分布和稳态温度分布等温线 IPM 电机设计的 PM 退磁研究
IPM 电机设计的 PM 退磁研究,展示了在考虑磁场和热负载效应引起的局部退磁后,对不同性能水平(扭矩曲线)的预测
电力变压器叠片磁芯损耗分布
电力变压器叠片磁芯损耗分布和电磁条件会导致定子机座形变,并对其进行相应的频谱响应声学分析
电磁条件会导致定子机座形变,并对其进行相应的频谱响应声学分析

用于仿真的 GRANTA 材料数据

可从 ANSYS Electronics Desktop 中的 ANSYS GRANTA 仿真材料数据集轻松获得大量材料信息。您可轻松访问包含 700 多种新型通用材料和 500 多种生产商特定材料的数据库,以支持电气和电子设备建模。该数据集包含与温度相关的机械和热性能以及电磁材料属性。所有材料数据都适用于仿真,您可轻松查找、输入并将数据转换为合适的格式,然后再应用于您的设计中。覆盖范围包括黑色金属和有色金属、工程塑料、各种类陶瓷、混凝土、玻璃、木材、复合材料、液体、气体、焊料和 PCB 层压板。这个大型材料数据库可帮助您在开发产品时做出明智选择。Electronics Desktop 和其他 ANSYS 产品中跨多个求解器的统一材料数据库可确保您在执行多物理场仿真时使用的材料为同一属性。

在仿真数据集的核心材料数据中,每条记录都描述了一种通用材料类型,该类型代表了更广泛的材料等级。这使得在整个材料选择范围内比较属性变得容易,并支持设计流程的早期阶段的分析。在 ANSYS Maxwell 中,您可以从新增的 500 多条材料记录中受益,这些记录可为生产商特定等级的磁性材料提供 B-H 曲线和磁芯损耗数据,这些数据与机电仿真相关,从而实现更精确的分析。利用材料信息领域的领导者 ANSYS Granta 的准确可靠数据,提高设备性能、精确度和可靠性,避免产品延迟上市。

用于仿真的 GRANTA 材料数据