Maxwell2021R1新功能解讀（上）——核心技術(shù) /核心求解器（主講人：譚洪濤）

本文為2021年3月4日西莫電機論壇第40期在線(xiàn)研討會(huì )精華整理版第一部分。會(huì )議主題——Maxwell2021和Motor-CADv14新功能介紹主講老師——譚洪濤（現任Ansys中國低頻電磁產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)理。哈爾濱理工大學(xué)電機與電器專(zhuān)業(yè)碩士畢業(yè)，于2007底加入ANSOFT中國，2008年隨ANSOFT公司并入Ansys公司，歷任高級應用工程師、資深高級應用工程師、技術(shù)經(jīng)理。負責Ansys中國低頻電磁產(chǎn)品業(yè)務(wù)發(fā)展，大客戶(hù)技術(shù)支持和重點(diǎn)市場(chǎng)推廣工作。西莫ID：ANSYS）主要內容1.Maxwell 2021R1的主要功能增強：全周期建模周期模型求解；利茲線(xiàn)分析；渦流場(chǎng)的體力密度耦合；溫度相關(guān)的鐵損BP曲線(xiàn)；時(shí)間平均場(chǎng)量輸出；渦流求解器頻率參數化；隨空間變化的材料或溫度輸入；感應電機ECE ROM模型；ACT功能增強/發(fā)卡繞組UDP等2.Motor-CADv14的主要功能增強：Motor-CAD更多模型到Maxwell的輸出；Motor-CAD Lab調用Maxwell計算結果生成map圖；Motor-CAD更多電機FMU模型至TwinBuilder系統仿真；新增電磁力分析功能；一維和二維電磁力諧波分析等1.核心技術(shù) /核心求解器

這一頁(yè)PPT講的是它增加的一個(gè)新功能，實(shí)際上在2020R2時(shí)就已經(jīng)有了，它指的是在做電機分析時(shí)，建模用全周期模型，求解只用周期模型。在這個(gè)過(guò)程中有幾個(gè)好處。第一是用全模型來(lái)建模的話(huà)，不需要設置一些主從邊界條件，第二個(gè)是在求解時(shí)，以前如果求解1/4個(gè)周期的模型，他肯定是主從邊界都是一個(gè)平面，那現在可以不是一個(gè)平面。那么針對周期模型求解還有一些特殊的網(wǎng)格剖分算法。特別是針對一些斜槽網(wǎng)格剖分，他會(huì )做的非常非常均勻，它的網(wǎng)格也是斜的，但是我試了一下這個(gè)功能支持斜槽，不支持斜極。

第二個(gè)是關(guān)于利茲線(xiàn)的，這個(gè)功能在前面也是有的，現在這個(gè)版本逐漸在增強，這個(gè)功能主要是用在開(kāi)關(guān)電源里面，有時(shí)也會(huì )用在電機里面。那這個(gè)版本新增加的功能，是說(shuō)如果模型里面用了利茲線(xiàn)模型，那么它的損耗除了我們的solid loss以外，他還有個(gè)strandedloss AC，那么實(shí)際上損耗應該是用AC損耗會(huì )更準一點(diǎn)。一般情況下，如果在渦流場(chǎng)里面去計算線(xiàn)圈它的電阻時(shí)候，我們用的是solid loss除以電流的平方，這里面它會(huì )有一點(diǎn)點(diǎn)誤差，如果用利茲線(xiàn)的話(huà)，那么新版本它使用的是stranded AC的這個(gè)損耗除以電流平方，這樣能跟我們實(shí)測更好的對應起來(lái)。

接下來(lái)一個(gè)功能也是渦流場(chǎng)的一個(gè)新功能，渦流場(chǎng)可以和結構的諧響應分析做一些耦合，渦流場(chǎng)可以把基于網(wǎng)格的體密度耦合給結構場(chǎng)做一些震動(dòng)噪聲的一些分析。那這個(gè)功能主要是用在開(kāi)關(guān)電源的，包括變壓器這種設備的振動(dòng)和噪聲分析，電機一般不會(huì )用到這個(gè)功能，因為電機一般是在瞬態(tài)場(chǎng)求解的。電機里面的電磁力頻率是基波的兩倍頻，在渦流場(chǎng)里面它的電磁力頻率也是激勵的兩倍頻。當渦流場(chǎng)基于這個(gè)網(wǎng)格的體密度耦合給諧響應分析，會(huì )自動(dòng)生成一個(gè)頻率，那這個(gè)頻率是maxwell里面的它的兩倍頻。

接下來(lái)這個(gè)功能是跟我們電機相關(guān)的，在以前的版本中材料屬性的鐵損曲線(xiàn)是和溫度沒(méi)有關(guān)系的，就輸了一個(gè)普通的鐵損曲線(xiàn)。但實(shí)際上材料的鐵損曲線(xiàn)和溫度是有關(guān)系的，那不同溫度下面的鐵損系數是不一樣的，以前是用那個(gè)electrical steel這個(gè)模型來(lái)建立他的鐵損曲線(xiàn)，可以輸入一個(gè)頻率和多個(gè)頻率下的鐵損曲線(xiàn)。在新版里面可以用B-P Curve這個(gè)模型，大家可以看到右上角這個(gè)圖上下面有個(gè)B-P Curve，然后在跟以前類(lèi)似的BP曲線(xiàn)輸入窗口里面，可以選擇不同溫度下面的BP曲線(xiàn)，然后把不同溫度的BP曲線(xiàn)都輸進(jìn)去，那么他可以擬合出不同溫度下面的Kh、Kc、Ke的系數。將來(lái)就可以把這個(gè)材料的溫度設成變量，做一個(gè)參數化掃描，可以?huà)呙璨煌瑴囟认旅娴蔫F損曲線(xiàn)，也可以就是說(shuō)和溫度場(chǎng)做一個(gè)耦合，將來(lái)可以把從溫度場(chǎng)倒回來(lái)的溫度，可能物體的每個(gè)網(wǎng)格的溫度不一樣，每個(gè)網(wǎng)格用到的鐵損曲線(xiàn)也不一樣，可以做一個(gè)這樣的雙向耦合。

接下來(lái)是新增加了一個(gè)新求解器，三維的交流傳導場(chǎng)，這個(gè)是什么意思呢？之前我們有maxwell的求解器，有直流傳導場(chǎng)，直流傳導場(chǎng)就是比如說(shuō)一個(gè)導體，奇形怪狀的導體，給他兩邊各加一個(gè)電壓，可以算它里面的電阻，那這個(gè)是直流的?，F在就是可以算一個(gè)交流的傳導場(chǎng)，他是一個(gè)電場(chǎng)，需要輸入一些電介質(zhì)的這些東西可以是電壓和電流的一個(gè)混合激勵，算出這個(gè)導納矩陣。那這個(gè)功能實(shí)際上以前在maxwell是不能做的，是需要在Q3D里面做的，那現在相當于把這個(gè)Q3D這一部分的功能挪到maxwell里面去了，可以提取這個(gè)像busbar或者向PCB板子上的一些寄生電容的一些參數，可以用于后續的一些emc分析。那大家看到下面的那張曲線(xiàn)，他一張是maxwell仿的，一張是Q3D仿真的，可以看到他們的仿真波形基本上是重合的，所以它的功能是有點(diǎn)類(lèi)似的，以前像這類(lèi)型的基本上是必須要再去Q3D里面去抽，那現在可以直接在max里面去抽。

跟上面一個(gè)功能類(lèi)似，這個(gè)是我們新增加了一個(gè)求解器，叫A-Phi求解器?？赡芮皟蓚€(gè)版本我們也講過(guò)。那解電磁場(chǎng)數字方程呢，一般就是可以把maxwell方程組處理成一個(gè)微分方程，微分方程的位置量可以是TΩ可以是A-Phi，大部分情況下我們用的是TΩ，因為TΩ求解速度會(huì )比較快，而且比較省內存。但TΩ有它的局限性，他處理一些多聯(lián)通區域不太好，那么這時(shí)我們可以用另外一個(gè)求解器來(lái)做補充，就是A-Phi這個(gè)處理器。A-Phi就說(shuō)在一個(gè)導體路徑可以允許有多個(gè)輸入多個(gè)輸出，像我們剛才看圖片上這個(gè)PCB的板子，它可以三個(gè)端口都輸入，類(lèi)似這種情況用A-Phi求解器會(huì )比較好一點(diǎn)，然后他還可以考慮一些位移電流的一些選項，看右下角這個(gè)圖，它里面有個(gè)電容，這兩個(gè)電容的兩個(gè)板實(shí)際上是不接觸的。那在之前的maxwell的求解器，就是相當于這里是斷開(kāi)的，實(shí)際上在高頻這里面如果是通交流的話(huà)，他這里面有電容它也是導通的，那這就是一個(gè)位移電流，那現在我們可以處理這種問(wèn)題，A-Phi求解器主要是用在開(kāi)關(guān)電源里面一些PCB板子，或者busbar的一些分析。

接下來(lái)這個(gè)功能是關(guān)于阻抗邊界條件的，先給大家解釋一下阻抗邊界條件是在什么時(shí)候用的，他主要是用在一些變壓器的損耗分析里面。比如說(shuō)要分析變壓器油箱壁上面的損耗，因為油箱壁有很好的導磁性，也有很好的導電性，那他電導率和磁導率都比較高，這樣會(huì )導致他的透入深度非常非常的小。如果要考慮交變電流在這種材質(zhì)上面的損耗時(shí)，需要在透入深度里面做一個(gè)很細的網(wǎng)格剖分，這樣一方面它的網(wǎng)格剖分的難度比較大，因為這個(gè)物體厚度比較大，然后他的透入深度又比較小，所以我們會(huì )用一個(gè)阻抗邊界條件做一個(gè)等效處理，就是在透入區域里面不做網(wǎng)格剖分，直接給他加一個(gè)主抗邊界條件就可以了，那這個(gè)技術(shù)是一個(gè)很成熟的技術(shù)，用在變壓器這個(gè)行業(yè)的。那現在用阻抗邊界條件時(shí)，一般要設置它的電導率和磁導率，以前是這個(gè)電導率和磁導率跟溫度沒(méi)有關(guān)系，現在可以設置這兩個(gè)系數跟溫度相關(guān)，然后進(jìn)而影響他的表面的一些損耗。同時(shí)也支持這個(gè)電磁熱雙向耦合的分析。

接下來(lái)是一個(gè)比較小的功能，在一個(gè)project層面可能掛很多的design，這個(gè)建模又是一步步建的，建模歷史比較長(cháng)的話(huà)，會(huì )發(fā)現當改這個(gè)模型或者重新打開(kāi)這個(gè)模型時(shí)，它的時(shí)間會(huì )比較長(cháng)，這是因為每次打開(kāi)軟件實(shí)際上是按照以前那個(gè)建模的歷史重新給走了一遍。這樣就導致這個(gè)模型刷新的速度會(huì )比較慢，那如果說(shuō)這個(gè)模型建好后，不想對這個(gè)模型進(jìn)行參數化分析的話(huà)，實(shí)際上是可以不要這個(gè)建模歷史的，這樣可以把它壓縮一下，讓他這個(gè)模型的反應更快一點(diǎn)。那這個(gè)就是多了一個(gè)選項，就是可以設置一下當建模歷史比如說(shuō)大于50個(gè)，當你在關(guān)閉這個(gè)模型時(shí)會(huì )有一個(gè)提示窗口告訴你要不要把這個(gè)建模歷史給他清除，把這個(gè)模型給他壓縮一下。

接下來(lái)這個(gè)功能是一個(gè)后處理的改進(jìn)，那實(shí)際上之前有一個(gè)功能能夠實(shí)現跟這個(gè)一樣的功能，但是隱藏的比較深，這次是把它單獨的拿出來(lái)了，這個(gè)是什么意思呢？就是有時(shí)磁密啊這些都無(wú)所謂，但是損耗比如說(shuō)鐵損和銅損，那么我們顯示長(cháng)度的時(shí)候，他往往是顯示某一個(gè)時(shí)刻的一個(gè)場(chǎng)圖，以鐵損為例，就是說(shuō)某一個(gè)時(shí)刻會(huì )發(fā)現有的齒上它的鐵損很大，有的齒上他的鐵損很小，因為剛好轉到這個(gè)地方了。實(shí)際上我們長(cháng)時(shí)間看的時(shí)候呢，各個(gè)齒上的鐵損應該是一樣的，那這個(gè)功能就是說(shuō)我們顯示這個(gè)的場(chǎng)圖時(shí)，它可以顯示一段時(shí)間的損耗分布，這樣顯示這個(gè)鐵損，實(shí)際上就是在各個(gè)齒上它是一個(gè)均勻分布的，這樣的話(huà)更符合實(shí)際的一個(gè)情況。

接下來(lái)這個(gè)功能是一個(gè)比較有用的功能，這個(gè)是什么意思呢？就是渦流求解器它的那個(gè)頻率可以參數化，那以前在渦流求解器里面的幾何尺寸激勵等都可以參數化，但是頻率只能設置一個(gè)掃頻，當你設置好掃頻之后，實(shí)際上就是說(shuō)你前面的每一個(gè)參數都要在所有的頻率點(diǎn)都要算一下，那有時(shí)候我們并不希望這樣，因為有時(shí)比如說(shuō)這個(gè)激勵電流的大小和這個(gè)頻率是對應的，我們就想一個(gè)電流對應一個(gè)頻率，以前是不太好弄的?，F在可以把這個(gè)頻率也當做一個(gè)變量參數化，這個(gè)在開(kāi)關(guān)電源里面用的，那在我們電機里面也有一個(gè)很典型的應用，就是我們算感應電機時(shí)。感應電機既可以用渦流場(chǎng)計算，也可以用瞬態(tài)場(chǎng)計算。用瞬態(tài)場(chǎng)它的精度會(huì )比較高，用渦流場(chǎng)會(huì )比較快，用渦流場(chǎng)只要算一次，瞬態(tài)場(chǎng)需要算好多個(gè)電周期讓它穩定，有時(shí)我們?yōu)榱私Y合這兩個(gè)求解器的優(yōu)點(diǎn)，我們可以用渦流場(chǎng)算一個(gè)初始狀態(tài)，然后把這個(gè)初始狀態(tài)，耦合到瞬態(tài)場(chǎng)里面去。這樣當我們批量計算時(shí)，比如說(shuō)我們算不同的轉差率時(shí)，要批量算時(shí)，可以把這個(gè)轉差率可以就等效成那個(gè)頻率，就把它設成一個(gè)變量，然后我們和瞬態(tài)場(chǎng)給他那個(gè)頻率變量給他關(guān)聯(lián)起來(lái)，這樣在我們解感應電機的map圖時(shí)也會(huì )用的到。

這個(gè)是個(gè)很簡(jiǎn)單的功能，在二維的時(shí)候早就已經(jīng)有了，就說(shuō)我們是三相繞組的時(shí)候，點(diǎn)一下右鍵，就可以讓他的繞組星接起來(lái)，現在三維也有這樣一個(gè)功能。

接下來(lái)是一個(gè)很有意思的功能，在介紹這個(gè)功能之前，我們先回顧一下在現有的maxwell的版本里面，有一個(gè)叫PWL的函數，這個(gè)函數可以定義一個(gè)二維的數組，它的自變量可以是時(shí)間位置速度溫度等等。這個(gè)PWL二維表格的函數我們可以輸入隨時(shí)間變化的波形，隨位置變化的負載波形，或者說(shuō)隨轉速變化的一個(gè)時(shí)間步長(cháng)函數等等，有很多很好的一些使用。那在這個(gè)版本里，它多了一個(gè)函數叫CLP，這個(gè)是一個(gè)三維的函數，它的自變量是一個(gè)空間的坐標，就是XYZ的一個(gè)列表，也就是說(shuō)通過(guò)這個(gè)函數我們可以輸入隨空間變化的一個(gè)溫度，那這個(gè)溫度數據怎么來(lái)的呢？可以比如說(shuō)通過(guò)第三方的一個(gè)溫度分析的軟件，算出來(lái)這個(gè)物體的各個(gè)節點(diǎn)的溫度，然后有四列，前三列的是XYZ第四列是溫度，直接把這個(gè)文件倒到maxwell里面來(lái)，那么maxwell就相當于可以設置一下這個(gè)物體按照這個(gè)網(wǎng)格分布的一個(gè)溫度。因為XYZ的這個(gè)文件它和maxwell本身的網(wǎng)格剖分可能不一樣，對不上，所以說(shuō)軟件也會(huì )在內部做一些插值。

那除了定義隨空間變化，就說(shuō)除它的溫度以外呢，他還可以定義隨溫度變化的材料屬性，比如說(shuō)就是你三列XYZ然后你的材料屬性，可以是這個(gè)電導率、磁導率、介電常數等等，這個(gè)也是通過(guò)我們這個(gè)CLP的這個(gè)函數來(lái)完成的。

接下來(lái)這個(gè)功能是講maxwell和motion的耦合，motion是一個(gè)什么軟件呢？motion是一個(gè)韓國的軟件，也是ansys最近OEM的一個(gè)軟件，motion主要是用于齒輪箱減速器一些這樣的分析，那我們現在要做這個(gè)吸塵器的電機，它的一個(gè)振動(dòng)噪聲在減速器的時(shí)，我們可能會(huì )用到maxwell和motion的耦合的一些耦合分析。我們現有的maxwell諧響應和mechanical那個(gè)分析呢，他是一個(gè)頻域分析，比如說(shuō)把Maxwell的電磁力做傅立葉分析之后，耦合到諧響應分析里面去，算它不同頻點(diǎn)的一些聲功率ERP這樣一個(gè)流程，但是在算一些加速工況，或者說(shuō)算一些帶齒輪箱時(shí)，我們需要結構那邊呢，他不是頻率分析，他是時(shí)域分析。這時(shí)需要把maxwell隨時(shí)間變化的電磁力，耦合給motion，激勵給motion，然后后面由motion計算一下，就是說(shuō)考慮徑向磁拉力，切向磁拉力的減速器的一個(gè)震動(dòng)噪聲。和motion的耦合主要也是通過(guò)這種unv的格式去耦合的，這種一個(gè)通用的格式。

接下來(lái)這個(gè)PPT就是maxwell和motion的一個(gè)耦合分析流程，大家可以看一下，先是maxwell去算電磁力，然后把時(shí)域的電磁力不是頻域的，時(shí)域的電磁力就是隨時(shí)間變化了，耦和給這個(gè)motion，然后motion帶上他機械的一些裝置，算一下整個(gè)系統的一個(gè)震動(dòng)噪聲。maxwell和motion他的耦和分析這個(gè)流程呢？我們有一些詳細教程，好像是在maxwell大本營(yíng)那個(gè)公眾號上也有。

和那個(gè)mechanical一樣，motion分析完了之后，可以通過(guò)瑞利積分得到一些聲壓曲線(xiàn)，然后可以把這個(gè)結果耦和到了VR sound，然后做一些聲音的設計聲音的分析。這一套流程，就是我們現在使它提供了從電磁力到mechanical到motion到VR sound，就是能夠考慮正常工況，還有加速和帶減速器的一個(gè)完整的一個(gè)振動(dòng)噪聲分析流程。

接下來(lái)是一個(gè)關(guān)于材料庫的，Granta，Granta是ansys收購的一個(gè)材料公司，這個(gè)公司是專(zhuān)門(mén)提供各種材料的，這些材料主要是用于這個(gè)結構流體，那么也有用于我們電機的一些BH曲線(xiàn)BP曲線(xiàn)的，它收錄了很多公司的材料曲線(xiàn)。這里面也有像我們大家能看到寧波的好幾家，還有這個(gè)寶鋼等等這樣的一些材料曲線(xiàn)，然后現在也正在和我們國內的一些材料廠(chǎng)商去開(kāi)發(fā)一些其他的材料數據庫，比如說(shuō)鐵氧體。（未完待續）