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(jī)論壇第40期在線研討會精華整理版第一部分。會議主題——Maxwell2021和Motor-CADv14新功能介紹主講老師——譚洪濤（現(xiàn)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(jī)與電器專業(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(yīng)用工程師、資深高級應(yīng)用工程師、技術(shù)經(jīng)理。負(fù)責(zé)Ansys中國低頻電磁產(chǎn)品業(yè)務(wù)發(fā)展，大客戶技術(shù)支持和重點(diǎn)市場推廣工作。西莫ID：ANSYS）主要內(nèi)容1.Maxwell 2021R1的主要功能增強(qiáng)：全周期建模周期模型求解；利茲線分析；渦流場的體力密度耦合；溫度相關(guān)的鐵損BP曲線；時間平均場量輸出；渦流求解器頻率參數(shù)化；隨空間變化的材料或溫度輸入；感應(yīng)電機(jī)ECE ROM模型；ACT功能增強(qiáng)/發(fā)卡繞組UDP等2.Motor-CADv14的主要功能增強(qiáng)：Motor-CAD更多模型到Maxwell的輸出；Motor-CAD Lab調(diào)用Maxwell計算結(jié)果生成map圖；Motor-CAD更多電機(jī)FMU模型至TwinBuilder系統(tǒng)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PPT講的是它增加的一個新功能，實(shí)際上在2020R2時就已經(jīng)有了，它指的是在做電機(jī)分析時，建模用全周期模型，求解只用周期模型。在這個過程中有幾個好處。第一是用全模型來建模的話，不需要設(shè)置一些主從邊界條件，第二個是在求解時，以前如果求解1/4個周期的模型，他肯定是主從邊界都是一個平面，那現(xiàn)在可以不是一個平面。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功能支持斜槽，不支持斜極。

第二個是關(guān)于利茲線的，這個功能在前面也是有的，現(xiàn)在這個版本逐漸在增強(qiáng)，這個功能主要是用在開關(guān)電源里面，有時也會用在電機(jī)里面。那這個版本新增加的功能，是說如果模型里面用了利茲線模型，那么它的損耗除了我們的solid loss以外，他還有個strandedloss AC，那么實(shí)際上損耗應(yīng)該是用AC損耗會更準(zhǔn)一點(diǎn)。一般情況下，如果在渦流場里面去計算線圈它的電阻時候，我們用的是solid loss除以電流的平方，這里面它會有一點(diǎn)點(diǎn)誤差，如果用利茲線的話，那么新版本它使用的是stranded AC的這個損耗除以電流平方，這樣能跟我們實(shí)測更好的對應(yīng)起來。

接下來一個功能也是渦流場的一個新功能，渦流場可以和結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析做一些耦合，渦流場可以把基于網(wǎng)格的體密度耦合給結(jié)構(gòu)場做一些震動噪聲的一些分析。那這個功能主要是用在開關(guān)電源的，包括變壓器這種設(shè)備的振動和噪聲分析，電機(jī)一般不會用到這個功能，因?yàn)殡姍C(jī)一般是在瞬態(tài)場求解的。電機(jī)里面的電磁力頻率是基波的兩倍頻，在渦流場里面它的電磁力頻率也是激勵的兩倍頻。當(dāng)渦流場基于這個網(wǎng)格的體密度耦合給諧響應(yīng)分析，會自動生成一個頻率，那這個頻率是maxwell里面的它的兩倍頻。

接下來這個功能是跟我們電機(jī)相關(guān)的，在以前的版本中材料屬性的鐵損曲線是和溫度沒有關(guān)系的，就輸了一個普通的鐵損曲線。但實(shí)際上材料的鐵損曲線和溫度是有關(guān)系的，那不同溫度下面的鐵損系數(shù)是不一樣的，以前是用那個electrical steel這個模型來建立他的鐵損曲線，可以輸入一個頻率和多個頻率下的鐵損曲線。在新版里面可以用B-P Curve這個模型，大家可以看到右上角這個圖上下面有個B-P Curve，然后在跟以前類似的BP曲線輸入窗口里面，可以選擇不同溫度下面的BP曲線，然后把不同溫度的BP曲線都輸進(jìn)去，那么他可以擬合出不同溫度下面的Kh、Kc、Ke的系數(shù)。將來就可以把這個材料的溫度設(shè)成變量，做一個參數(shù)化掃描，可以掃描不同溫度下面的鐵損曲線，也可以就是說和溫度場做一個耦合，將來可以把從溫度場倒回來的溫度，可能物體的每個網(wǎng)格的溫度不一樣，每個網(wǎng)格用到的鐵損曲線也不一樣，可以做一個這樣的雙向耦合。

接下來是新增加了一個新求解器，三維的交流傳導(dǎo)場，這個是什么意思呢？之前我們有maxwell的求解器，有直流傳導(dǎo)場，直流傳導(dǎo)場就是比如說一個導(dǎo)體，奇形怪狀的導(dǎo)體，給他兩邊各加一個電壓，可以算它里面的電阻，那這個是直流的。現(xiàn)在就是可以算一個交流的傳導(dǎo)場，他是一個電場，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混合激勵，算出這個導(dǎo)納矩陣。那這個功能實(shí)際上以前在maxwell是不能做的，是需要在Q3D里面做的，那現(xiàn)在相當(dāng)于把這個Q3D這一部分的功能挪到maxwell里面去了，可以提取這個像busbar或者向PCB板子上的一些寄生電容的一些參數(shù)，可以用于后續(xù)的一些emc分析。那大家看到下面的那張曲線，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)類似的，以前像這類型的基本上是必須要再去Q3D里面去抽，那現(xiàn)在可以直接在max里面去抽。

跟上面一個功能類似，這個是我們新增加了一個求解器，叫A-Phi求解器?？赡芮皟蓚€版本我們也講過。那解電磁場數(shù)字方程呢，一般就是可以把maxwell方程組處理成一個微分方程，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?yàn)?/span>TΩ求解速度會比較快，而且比較省內(nèi)存。但TΩ有它的局限性，他處理一些多聯(lián)通區(qū)域不太好，那么這時我們可以用另外一個求解器來做補(bǔ)充，就是A-Phi這個處理器。A-Phi就說在一個導(dǎo)體路徑可以允許有多個輸入多個輸出，像我們剛才看圖片上這個PCB的板子，它可以三個端口都輸入，類似這種情況用A-Phi求解器會比較好一點(diǎn)，然后他還可以考慮一些位移電流的一些選項(xiàng)，看右下角這個圖，它里面有個電容，這兩個電容的兩個板實(shí)際上是不接觸的。那在之前的maxwell的求解器，就是相當(dāng)于這里是斷開的，實(shí)際上在高頻這里面如果是通交流的話，他這里面有電容它也是導(dǎo)通的，那這就是一個位移電流，那現(xiàn)在我們可以處理這種問題，A-Phi求解器主要是用在開關(guān)電源里面一些PCB板子，或者busbar的一些分析。

接下來這個功能是關(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候用的，他主要是用在一些變壓器的損耗分析里面。比如說要分析變壓器油箱壁上面的損耗，因?yàn)橛拖浔谟泻芎玫膶?dǎo)磁性，也有很好的導(dǎo)電性，那他電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率都比較高，這樣會導(dǎo)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，需要在透入深度里面做一個很細(xì)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?yàn)檫@個物體厚度比較大，然后他的透入深度又比較小，所以我們會用一個阻抗邊界條件做一個等效處理，就是在透入?yún)^(qū)域里面不做網(wǎng)格剖分，直接給他加一個主抗邊界條件就可以了，那這個技術(shù)是一個很成熟的技術(shù)，用在變壓器這個行業(yè)的。那現(xiàn)在用阻抗邊界條件時，一般要設(shè)置它的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，以前是這個電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率跟溫度沒有關(guān)系，現(xiàn)在可以設(shè)置這兩個系數(shù)跟溫度相關(guān)，然后進(jìn)而影響他的表面的一些損耗。同時也支持這個電磁熱雙向耦合的分析。

接下來是一個比較小的功能，在一個project層面可能掛很多的design，這個建模又是一步步建的，建模歷史比較長的話，會發(fā)現(xiàn)當(dāng)改這個模型或者重新打開這個模型時，它的時間會比較長，這是因?yàn)槊看未蜷_軟件實(shí)際上是按照以前那個建模的歷史重新給走了一遍。這樣就導(dǎo)致這個模型刷新的速度會比較慢，那如果說這個模型建好后，不想對這個模型進(jìn)行參數(shù)化分析的話，實(shí)際上是可以不要這個建模歷史的，這樣可以把它壓縮一下，讓他這個模型的反應(yīng)更快一點(diǎn)。那這個就是多了一個選項(xiàng)，就是可以設(shè)置一下當(dāng)建模歷史比如說大于50個，當(dāng)你在關(guān)閉這個模型時會有一個提示窗口告訴你要不要把這個建模歷史給他清除，把這個模型給他壓縮一下。

接下來這個功能是一個后處理的改進(jìn)，那實(shí)際上之前有一個功能能夠?qū)崿F(xiàn)跟這個一樣的功能，但是隱藏的比較深，這次是把它單獨(dú)的拿出來了，這個是什么意思呢？就是有時磁密啊這些都無所謂，但是損耗比如說鐵損和銅損，那么我們顯示長度的時候，他往往是顯示某一個時刻的一個場圖，以鐵損為例，就是說某一個時刻會發(fā)現(xiàn)有的齒上它的鐵損很大，有的齒上他的鐵損很小，因?yàn)閯偤棉D(zhuǎn)到這個地方了。實(shí)際上我們長時間看的時候呢，各個齒上的鐵損應(yīng)該是一樣的，那這個功能就是說我們顯示這個的場圖時，它可以顯示一段時間的損耗分布，這樣顯示這個鐵損，實(shí)際上就是在各個齒上它是一個均勻分布的，這樣的話更符合實(shí)際的一個情況。

接下來這個功能是一個比較有用的功能，這個是什么意思呢？就是渦流求解器它的那個頻率可以參數(shù)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(shù)化，但是頻率只能設(shè)置一個掃頻，當(dāng)你設(shè)置好掃頻之后，實(shí)際上就是說你前面的每一個參數(shù)都要在所有的頻率點(diǎn)都要算一下，那有時候我們并不希望這樣，因?yàn)橛袝r比如說這個激勵電流的大小和這個頻率是對應(yīng)的，我們就想一個電流對應(yīng)一個頻率，以前是不太好弄的?，F(xiàn)在可以把這個頻率也當(dāng)做一個變量參數(shù)化，這個在開關(guān)電源里面用的，那在我們電機(jī)里面也有一個很典型的應(yīng)用，就是我們算感應(yīng)電機(jī)時。感應(yīng)電機(jī)既可以用渦流場計算，也可以用瞬態(tài)場計算。用瞬態(tài)場它的精度會比較高，用渦流場會比較快，用渦流場只要算一次，瞬態(tài)場需要算好多個電周期讓它穩(wěn)定，有時我們?yōu)榱私Y(jié)合這兩個求解器的優(yōu)點(diǎn)，我們可以用渦流場算一個初始狀態(tài)，然后把這個初始狀態(tài)，耦合到瞬態(tài)場里面去。這樣當(dāng)我們批量計算時，比如說我們算不同的轉(zhuǎn)差率時，要批量算時，可以把這個轉(zhuǎn)差率可以就等效成那個頻率，就把它設(shè)成一個變量，然后我們和瞬態(tài)場給他那個頻率變量給他關(guān)聯(lián)起來，這樣在我們解感應(yīng)電機(jī)的map圖時也會用的到。

這個是個很簡單的功能，在二維的時候早就已經(jīng)有了，就說我們是三相繞組的時候，點(diǎn)一下右鍵，就可以讓他的繞組星接起來，現(xiàn)在三維也有這樣一個功能。

接下來是一個很有意思的功能，在介紹這個功能之前，我們先回顧一下在現(xiàn)有的maxwell的版本里面，有一個叫PWL的函數(shù)，這個函數(shù)可以定義一個二維的數(shù)組，它的自變量可以是時間位置速度溫度等等。這個PWL二維表格的函數(shù)我們可以輸入隨時間變化的波形，隨位置變化的負(fù)載波形，或者說隨轉(zhuǎn)速變化的一個時間步長函數(shù)等等，有很多很好的一些使用。那在這個版本里，它多了一個函數(shù)叫CLP，這個是一個三維的函數(shù)，它的自變量是一個空間的坐標(biāo)，就是XYZ的一個列表，也就是說通過這個函數(shù)我們可以輸入隨空間變化的一個溫度，那這個溫度數(shù)據(jù)怎么來的呢？可以比如說通過第三方的一個溫度分析的軟件，算出來這個物體的各個節(jié)點(diǎn)的溫度，然后有四列，前三列的是XYZ第四列是溫度，直接把這個文件倒到maxwell里面來，那么maxwell就相當(dāng)于可以設(shè)置一下這個物體按照這個網(wǎng)格分布的一個溫度。因?yàn)?/span>XYZ的這個文件它和maxwell本身的網(wǎng)格剖分可能不一樣，對不上，所以說軟件也會在內(nèi)部做一些插值。

那除了定義隨空間變化，就說除它的溫度以外呢，他還可以定義隨溫度變化的材料屬性，比如說就是你三列XYZ然后你的材料屬性，可以是這個電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)等等，這個也是通過我們這個CLP的這個函數(shù)來完成的。

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

接下來這個PPT就是maxwell和motion的一個耦合分析流程，大家可以看一下，先是maxwell去算電磁力，然后把時域的電磁力不是頻域的，時域的電磁力就是隨時間變化了，耦和給這個motion，然后motion帶上他機(jī)械的一些裝置，算一下整個系統(tǒng)的一個震動噪聲。maxwell和motion他的耦和分析這個流程呢？我們有一些詳細(xì)教程，好像是在maxwell大本營那個公眾號上也有。

和那個mechanical一樣，motion分析完了之后，可以通過瑞利積分得到一些聲壓曲線，然后可以把這個結(jié)果耦和到了VR sound，然后做一些聲音的設(shè)計聲音的分析。這一套流程，就是我們現(xiàn)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完整的一個振動噪聲分析流程。

接下來是一個關(guān)于材料庫的，Granta，Granta是ansys收購的一個材料公司，這個公司是專門提供各種材料的，這些材料主要是用于這個結(jié)構(gòu)流體，那么也有用于我們電機(jī)的一些BH曲線BP曲線的，它收錄了很多公司的材料曲線。這里面也有像我們大家能看到寧波的好幾家，還有這個寶鋼等等這樣的一些材料曲線，然后現(xiàn)在也正在和我們國內(nèi)的一些材料廠商去開發(fā)一些其他的材料數(shù)據(jù)庫，比如說鐵氧體。（未完待續(xù)）