Maxwell2021R1新功能解读（上）——核心技术 /核心求解器（主讲人：谭洪涛）

本文为2021年3月4日西莫电机论坛第40期在线研讨会精华整理版第一部分。会议主题——Maxwell2021和Motor-CADv14新功能介绍主讲老师——谭洪涛（现任Ansys中国低频电磁产品技术经理。哈尔滨理工大学电机与电器专业硕士毕业，于2007底加入ANSOFT中国，2008年随ANSOFT公司并入Ansys公司，历任高级应用工程师、资深高级应用工程师、技术经理。负责Ansys中国低频电磁产品业务发展，大客户技术支持和重点市场推广工作。西莫ID：ANSYS）主要内容1.Maxwell 2021R1的主要功能增强：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2.Motor-CADv14的主要功能增强：Motor-CAD更多模型到Maxwell的输出；Motor-CAD Lab调用Maxwell计算结果生成map图；Motor-CAD更多电机FMU模型至TwinBuilder系统仿真；新增电磁力分析功能；一维和二维电磁力谐波分析等1.核心技术 /核心求解器

这一页PPT讲的是它增加的一个新功能，实际上在2020R2时就已经有了，它指的是在做电机分析时，建模用全周期模型，求解只用周期模型。在这个过程中有几个好处。第一是用全模型来建模的话，不需要设置一些主从边界条件，第二个是在求解时，以前如果求解1/4个周期的模型，他肯定是主从边界都是一个平面，那现在可以不是一个平面。那么针对周期模型求解还有一些特殊的网格剖分算法。特别是针对一些斜槽网格剖分，他会做的非常非常均匀，它的网格也是斜的，但是我试了一下这个功能支持斜槽，不支持斜极。

第二个是关于利兹线的，这个功能在前面也是有的，现在这个版本逐渐在增强，这个功能主要是用在开关电源里面，有时也会用在电机里面。那这个版本新增加的功能，是说如果模型里面用了利兹线模型，那么它的损耗除了我们的solid loss以外，他还有个strandedloss AC，那么实际上损耗应该是用AC损耗会更准一点。一般情况下，如果在涡流场里面去计算线圈它的电阻时候，我们用的是solid loss除以电流的平方，这里面它会有一点点误差，如果用利兹线的话，那么新版本它使用的是stranded AC的这个损耗除以电流平方，这样能跟我们实测更好的对应起来。

接下来一个功能也是涡流场的一个新功能，涡流场可以和结构的谐响应分析做一些耦合，涡流场可以把基于网格的体密度耦合给结构场做一些震动噪声的一些分析。那这个功能主要是用在开关电源的，包括变压器这种设备的振动和噪声分析，电机一般不会用到这个功能，因为电机一般是在瞬态场求解的。电机里面的电磁力频率是基波的两倍频，在涡流场里面它的电磁力频率也是激励的两倍频。当涡流场基于这个网格的体密度耦合给谐响应分析，会自动生成一个频率，那这个频率是maxwell里面的它的两倍频。

接下来这个功能是跟我们电机相关的，在以前的版本中材料属性的铁损曲线是和温度没有关系的，就输了一个普通的铁损曲线。但实际上材料的铁损曲线和温度是有关系的，那不同温度下面的铁损系数是不一样的，以前是用那个electrical steel这个模型来建立他的铁损曲线，可以输入一个频率和多个频率下的铁损曲线。在新版里面可以用B-P Curve这个模型，大家可以看到右上角这个图上下面有个B-P Curve，然后在跟以前类似的BP曲线输入窗口里面，可以选择不同温度下面的BP曲线，然后把不同温度的BP曲线都输进去，那么他可以拟合出不同温度下面的Kh、Kc、Ke的系数。将来就可以把这个材料的温度设成变量，做一个参数化扫描，可以扫描不同温度下面的铁损曲线，也可以就是说和温度场做一个耦合，将来可以把从温度场倒回来的温度，可能物体的每个网格的温度不一样，每个网格用到的铁损曲线也不一样，可以做一个这样的双向耦合。

接下来是新增加了一个新求解器，三维的交流传导场，这个是什么意思呢？之前我们有maxwell的求解器，有直流传导场，直流传导场就是比如说一个导体，奇形怪状的导体，给他两边各加一个电压，可以算它里面的电阻，那这个是直流的。现在就是可以算一个交流的传导场，他是一个电场，需要输入一些电介质的这些东西可以是电压和电流的一个混合激励，算出这个导纳矩阵。那这个功能实际上以前在maxwell是不能做的，是需要在Q3D里面做的，那现在相当于把这个Q3D这一部分的功能挪到maxwell里面去了，可以提取这个像busbar或者向PCB板子上的一些寄生电容的一些参数，可以用于后续的一些emc分析。那大家看到下面的那张曲线，他一张是maxwell仿的，一张是Q3D仿真的，可以看到他们的仿真波形基本上是重合的，所以它的功能是有点类似的，以前像这类型的基本上是必须要再去Q3D里面去抽，那现在可以直接在max里面去抽。

跟上面一个功能类似，这个是我们新增加了一个求解器，叫A-Phi求解器。可能前两个版本我们也讲过。那解电磁场数字方程呢，一般就是可以把maxwell方程组处理成一个微分方程，微分方程的位置量可以是TΩ可以是A-Phi，大部分情况下我们用的是TΩ，因为TΩ求解速度会比较快，而且比较省内存。但TΩ有它的局限性，他处理一些多联通区域不太好，那么这时我们可以用另外一个求解器来做补充，就是A-Phi这个处理器。A-Phi就说在一个导体路径可以允许有多个输入多个输出，像我们刚才看图片上这个PCB的板子，它可以三个端口都输入，类似这种情况用A-Phi求解器会比较好一点，然后他还可以考虑一些位移电流的一些选项，看右下角这个图，它里面有个电容，这两个电容的两个板实际上是不接触的。那在之前的maxwell的求解器，就是相当于这里是断开的，实际上在高频这里面如果是通交流的话，他这里面有电容它也是导通的，那这就是一个位移电流，那现在我们可以处理这种问题，A-Phi求解器主要是用在开关电源里面一些PCB板子，或者busbar的一些分析。

接下来这个功能是关于阻抗边界条件的，先给大家解释一下阻抗边界条件是在什么时候用的，他主要是用在一些变压器的损耗分析里面。比如说要分析变压器油箱壁上面的损耗，因为油箱壁有很好的导磁性，也有很好的导电性，那他电导率和磁导率都比较高，这样会导致他的透入深度非常非常的小。如果要考虑交变电流在这种材质上面的损耗时，需要在透入深度里面做一个很细的网格剖分，这样一方面它的网格剖分的难度比较大，因为这个物体厚度比较大，然后他的透入深度又比较小，所以我们会用一个阻抗边界条件做一个等效处理，就是在透入区域里面不做网格剖分，直接给他加一个主抗边界条件就可以了，那这个技术是一个很成熟的技术，用在变压器这个行业的。那现在用阻抗边界条件时，一般要设置它的电导率和磁导率，以前是这个电导率和磁导率跟温度没有关系，现在可以设置这两个系数跟温度相关，然后进而影响他的表面的一些损耗。同时也支持这个电磁热双向耦合的分析。

接下来是一个比较小的功能，在一个project层面可能挂很多的design，这个建模又是一步步建的，建模历史比较长的话，会发现当改这个模型或者重新打开这个模型时，它的时间会比较长，这是因为每次打开软件实际上是按照以前那个建模的历史重新给走了一遍。这样就导致这个模型刷新的速度会比较慢，那如果说这个模型建好后，不想对这个模型进行参数化分析的话，实际上是可以不要这个建模历史的，这样可以把它压缩一下，让他这个模型的反应更快一点。那这个就是多了一个选项，就是可以设置一下当建模历史比如说大于50个，当你在关闭这个模型时会有一个提示窗口告诉你要不要把这个建模历史给他清除，把这个模型给他压缩一下。

接下来这个功能是一个后处理的改进，那实际上之前有一个功能能够实现跟这个一样的功能，但是隐藏的比较深，这次是把它单独的拿出来了，这个是什么意思呢？就是有时磁密啊这些都无所谓，但是损耗比如说铁损和铜损，那么我们显示长度的时候，他往往是显示某一个时刻的一个场图，以铁损为例，就是说某一个时刻会发现有的齿上它的铁损很大，有的齿上他的铁损很小，因为刚好转到这个地方了。实际上我们长时间看的时候呢，各个齿上的铁损应该是一样的，那这个功能就是说我们显示这个的场图时，它可以显示一段时间的损耗分布，这样显示这个铁损，实际上就是在各个齿上它是一个均匀分布的，这样的话更符合实际的一个情况。

接下来这个功能是一个比较有用的功能，这个是什么意思呢？就是涡流求解器它的那个频率可以参数化，那以前在涡流求解器里面的几何尺寸激励等都可以参数化，但是频率只能设置一个扫频，当你设置好扫频之后，实际上就是说你前面的每一个参数都要在所有的频率点都要算一下，那有时候我们并不希望这样，因为有时比如说这个激励电流的大小和这个频率是对应的，我们就想一个电流对应一个频率，以前是不太好弄的。现在可以把这个频率也当做一个变量参数化，这个在开关电源里面用的，那在我们电机里面也有一个很典型的应用，就是我们算感应电机时。感应电机既可以用涡流场计算，也可以用瞬态场计算。用瞬态场它的精度会比较高，用涡流场会比较快，用涡流场只要算一次，瞬态场需要算好多个电周期让它稳定，有时我们为了结合这两个求解器的优点，我们可以用涡流场算一个初始状态，然后把这个初始状态，耦合到瞬态场里面去。这样当我们批量计算时，比如说我们算不同的转差率时，要批量算时，可以把这个转差率可以就等效成那个频率，就把它设成一个变量，然后我们和瞬态场给他那个频率变量给他关联起来，这样在我们解感应电机的map图时也会用的到。

这个是个很简单的功能，在二维的时候早就已经有了，就说我们是三相绕组的时候，点一下右键，就可以让他的绕组星接起来，现在三维也有这样一个功能。

接下来是一个很有意思的功能，在介绍这个功能之前，我们先回顾一下在现有的maxwell的版本里面，有一个叫PWL的函数，这个函数可以定义一个二维的数组，它的自变量可以是时间位置速度温度等等。这个PWL二维表格的函数我们可以输入随时间变化的波形，随位置变化的负载波形，或者说随转速变化的一个时间步长函数等等，有很多很好的一些使用。那在这个版本里，它多了一个函数叫CLP，这个是一个三维的函数，它的自变量是一个空间的坐标，就是XYZ的一个列表，也就是说通过这个函数我们可以输入随空间变化的一个温度，那这个温度数据怎么来的呢？可以比如说通过第三方的一个温度分析的软件，算出来这个物体的各个节点的温度，然后有四列，前三列的是XYZ第四列是温度，直接把这个文件倒到maxwell里面来，那么maxwell就相当于可以设置一下这个物体按照这个网格分布的一个温度。因为XYZ的这个文件它和maxwell本身的网格剖分可能不一样，对不上，所以说软件也会在内部做一些插值。

那除了定义随空间变化，就说除它的温度以外呢，他还可以定义随温度变化的材料属性，比如说就是你三列XYZ然后你的材料属性，可以是这个电导率、磁导率、介电常数等等，这个也是通过我们这个CLP的这个函数来完成的。

接下来这个功能是讲maxwell和motion的耦合，motion是一个什么软件呢？motion是一个韩国的软件，也是ansys最近OEM的一个软件，motion主要是用于齿轮箱减速器一些这样的分析，那我们现在要做这个吸尘器的电机，它的一个振动噪声在减速器的时，我们可能会用到maxwell和motion的耦合的一些耦合分析。我们现有的maxwell谐响应和mechanical那个分析呢，他是一个频域分析，比如说把Maxwell的电磁力做傅立叶分析之后，耦合到谐响应分析里面去，算它不同频点的一些声功率ERP这样一个流程，但是在算一些加速工况，或者说算一些带齿轮箱时，我们需要结构那边呢，他不是频率分析，他是时域分析。这时需要把maxwell随时间变化的电磁力，耦合给motion，激励给motion，然后后面由motion计算一下，就是说考虑径向磁拉力，切向磁拉力的减速器的一个震动噪声。和motion的耦合主要也是通过这种unv的格式去耦合的，这种一个通用的格式。

接下来这个PPT就是maxwell和motion的一个耦合分析流程，大家可以看一下，先是maxwell去算电磁力，然后把时域的电磁力不是频域的，时域的电磁力就是随时间变化了，耦和给这个motion，然后motion带上他机械的一些装置，算一下整个系统的一个震动噪声。maxwell和motion他的耦和分析这个流程呢？我们有一些详细教程，好像是在maxwell大本营那个公众号上也有。

和那个mechanical一样，motion分析完了之后，可以通过瑞利积分得到一些声压曲线，然后可以把这个结果耦和到了VR sound，然后做一些声音的设计声音的分析。这一套流程，就是我们现在使它提供了从电磁力到mechanical到motion到VR sound，就是能够考虑正常工况，还有加速和带减速器的一个完整的一个振动噪声分析流程。

接下来是一个关于材料库的，Granta，Granta是ansys收购的一个材料公司，这个公司是专门提供各种材料的，这些材料主要是用于这个结构流体，那么也有用于我们电机的一些BH曲线BP曲线的，它收录了很多公司的材料曲线。这里面也有像我们大家能看到宁波的好几家，还有这个宝钢等等这样的一些材料曲线，然后现在也正在和我们国内的一些材料厂商去开发一些其他的材料数据库，比如说铁氧体。（未完待续）