Ansys Maxwell 2021 R1為2021年的第一個版本，該版本主要增強了以下幾點功能：分別是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、溫度相關的鐵損BP曲線、時間平均場量輸出、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/發卡繞組UDP等等。本文將對上述新功能進行簡要介紹。

利茲線廣泛應用在開關電源和電機領域，完整的利茲線分析需要建立每根細小的單線，計算量非常大。Maxwell在之前版本中增加了利茲線建模功能，用戶不再需要建立每根單線，只需建立利茲線外部輪廓，再把模型指定為利茲線模型，輸入利茲線匝數、單線線徑等信息、軟件通過公式自動計算利茲線損耗，在后處理中利茲線損耗顯示在StrandedLoss AC中。

此次新版本中新增利茲線阻抗矩陣的計算，對于利茲線模型，Maxwell采用(StrandedLoss AC+CoreLoss)/I2的方法計算利茲線電阻，該方法基于stranded繞組，考慮由集膚效應和鄰近效應引起的繞組附加交流損耗，與實測更加接近。此功能用于修正利茲線阻抗矩陣的計算。

早期版本支持瞬態場與諧響應分析的耦合，該耦合仿真一般用于電機的NVH計算。新版本中增加單一頻率下基于單元的體力密度的渦流場到諧響應分析的耦合。渦流場主要用于變壓器等設備的電磁場分析，此功能可以實現基于渦流場的電磁力耦合到諧響應分析中，對變壓器振動噪聲進行仿真。Maxwell會自動設置結構場的工作頻率是電頻率的2倍。

早期版本中鐵損曲線只支持單一溫度，在同一溫度下輸入多個頻率或者單一頻率的鐵損曲線，根據輸入的曲線和Steinmetz公式Maxwell會擬合出Kh、Kc、Ke系數，這個系數不隨溫度而變化。

新版中對于瞬態場和渦流場求解器新增鐵損模型“B-P Curve”，在Core Loss Model中選擇B-P Curve，用戶可以定義單一溫度或多個溫度下的鐵損曲線，Maxwell根據公式自動抽取每個溫度下的鐵損系數Kh、Kc、Ke，同時可以對溫度進行參數化掃描。鐵芯的鐵損系數不是固定的，而是與空間位置有關，鐵損系數隨空間的磁密和溫度變化而變化。同時該功能也支持基于單元的電磁-熱耦合分析。

阻抗邊界條件主要應用在變壓器設備，交變電流在鐵磁材料中會產生渦流電流，由于渦流透入深度非常小，如精確仿真需要在透入深度內設置很精確的網格剖分，難度比較大。對于此問題工程上一般采用阻抗邊界條件，在透入深度內不設置網格剖分，鐵磁材料的損耗等參數由公式計算得出，此方法得到了工程上的驗證。

新版本中在設置阻抗邊界條件時可以使用溫度相關的材料屬性，阻抗邊界條件下的電導率和磁導率可以與溫度相關，允許用戶通過定義函數的方式考慮溫度對材料特性的影響。

瞬態場求解器顯示的是某個時間點的場圖，例如查看磁力線云圖必須先選擇某個時間點。對于損耗數據用戶不希望看到某個時間點的數據，而是需要周期內的平均值。新版本中新增此功能，瞬態求解器可以顯示時間平均的場圖分布。當用戶保存場數據后，Maxwell支持輸出損耗或者Named Expressions中定義的場數據的時間平均值，場結果的時間平均云圖可以在后處理場圖中顯示，該功能典型應用是在瞬態場中查看在一個電周期內損耗的分布。目前該功能僅支持T-Ω求解器（以后會支持 A-Φ求解器）。

之前版本中引入了pwl函數，該函數可以定義隨時間變化的激勵或隨空間變化的負載等。新版本中引入clp函數，該函數是三維矩陣，自變量是X，Y，Z三個方向的坐標，即一系列空間點的集合。通過clp函數可以定義材料溫度特性隨空間的變化。該函數的表現形式是四列的文本文件，前三列是空間坐標點，第四列是溫度值，該溫度值可以是溫度場求解的數據，也可以是測試的數據。定義空間材料溫度數據的文件格式為.tab，該函數適用于2D/3D瞬態求解器。

同樣的方法，使用clp函數可以指定隨空間變化的材料屬性，包括電導率Conductivity、磁導率Permeability以及介電常數Permittivity等。為了得到比較理想的插值精度，源數據（3D DataSet）需要足夠多的數據點。

仿真電機的NVH性能時，Maxwell與Mechanical聯合仿真可以得到多轉速下的瀑布圖，Maxwell把頻域的電磁力數據傳遞到結構場中。當分析類似電機啟動或電機加速過程中的振動噪聲時，Maxwell需要把時變的電磁力耦合到結構場分析軟件Motion中。Motion軟件主要用于減速器的分析。

新版本中Maxwell增加了直接連接到Motion的接口，通過Maxwell 2D/3D瞬態求解器可以直接輸出基于object力密度或基于element力密度到Motion軟件中。通過Maxwell與Motion耦合分析，可以將齒輪箱和機械傳動等剛性部件添加到電機和外殼中，分析電機和減速器共同作用下的振動噪聲。

Maxwell與Mechanical耦合仿真時，Maxwell只需把定子的電磁力傳遞到結構場中；而Maxwell與Motion耦合仿真時，Maxwell要把定子和轉子的電磁力都傳遞到Motion中。電機轉子上的電磁力通過軸耦合到齒輪上，這樣可以考慮電機和齒輪共同作用下的振動噪聲問題。

把分析結果進行瑞利積分，取MIC上面的表面速度計算聲壓，再把數據耦合到噪聲分析軟件VRXPERIENCE Sound中，可以進行聲音品質的設計和分析。

由于永磁電機轉子表面沒有渦流電流，所以ECE降階模型更多適用于永磁電機。感應電機轉子表面存在渦流，所以感應電機更多的是通過T型或L型等效電路的方式進行降階處理。此次新版中增加了感應電機的高精度ECE降階模型抽取功能，新功能基于渦流場求解器，把感應電機等效電路分解成直軸分量和交軸分量，然后在外電路中建立ECEIM模型，通過掃描電流以及轉差率，推導具有渦流效應的多相感應電機ECE降階模型。TwinBuilder/Simplorer軟件可以直接訪問該ECE降階模型，新功能可應用于感應電機的矢量控制系統聯合仿真和機電系統的EMC分析。

2021 R1新版本中Electrical Machine Toolkit ACT有較大的改進，主要包含：交流繞組損耗的改進計算、多相電機的map圖計算、新的電機類型同步磁阻電機Map計算、新的電機類型開關磁阻電機Map計算、新的電機類型電勵磁同步電機Map計算、求解速度的提升、定轉子鐵耗的分離。

1. 交流繞組損耗的改進計算。新版本提供了兩種改進交流繞組損耗的計算方法。

利茲線建模: 在繞組的材料屬性中，將“Composition”選項設置為“Litz Wire”, 并定義導線形狀，并繞根數和單線尺寸，Machine Toolkit利用“StrandedlossAC” 計算結果作為繞組交流損耗。

用戶自定義的Frequency vs. AC Resistance數據: 用戶可以指定一個.txt文件，該文件是頻率與交流電阻數據的表格。文件的第一行定義頻率和電阻的名稱以及單位，數據導入后Maxwell采用線性插值的方法得到需要頻率下的交流電阻數據。

2. 多相電機的map圖計算

新版本中支持2~7相永磁電機，感應電機，同步磁阻電機和繞線轉子同步電機和2~8相的開關磁阻電機的map圖的計算。對于除開關磁阻電機以外的所有電機類型，用戶都可以使用命令行指定每個繞組的相移，建議第一個相移輸入“ 0”。

3. 同步磁阻電機Map計算

同步磁阻電機計算方式與永磁同步電機一樣，掃描變量為相電流的有效值、gamma角和轉速。支持周期性和半周期性TDM。出于穩定性考慮，在電動機模式下，gamma范圍為（45°~90°），在發電機模式下，gamma角范圍為（90°~135°）。

4. 開關磁阻電機Map計算

開關磁阻電機掃描變量是電流、gamma角和轉速。Toolkit目前支持2~8相的開關磁阻電機。用戶需要在ACT中輸入定子相數、轉子極數、電流、滯環控制下的導通寬度等參數。

5. 電勵磁同步電機Map計算

電勵磁同步電機掃描變量為定子電流、gamma角、轉速和勵磁電流。四個變量都掃描的話會導致計算時間非常長。改進的方法是在ACT腳本內部取消轉速掃描，以最大轉速的一半進行仿真，并用這個結果評估其他轉速下的結果。支持周期性和半周期性TDM計算。

6. 求解速度提升

新版本中ACT新增取消轉速掃描的功能，當使用該功能時軟件僅仿真參考轉速（最大轉速的一半），其他轉速下的性能將根據參考速度的仿真結果進行推導，取消轉速掃描后大大減少了仿真時間，提高仿真效率。該功能適用于永磁同步電機和同步磁阻電機。

7. 定轉子鐵耗分離

新版本中ACT新增定子和轉子鐵損分離的功能。當使用該功能時軟件分別識別定子和轉子中需要計算鐵心損耗的部件，并最終輸出兩張Map圖，分別顯示定子和轉子鐵心損耗。由于轉子鐵損頻率接近于0，所以轉子鐵損與轉速關系不密切，但受電流影響比較大；定子鐵損既跟電流有關又與轉速有關，損耗主要集中在map圖的右上角。

對于電機多轉速NVH分析（Maxwell到Mechanical諧響應分析），新版本中新增轉速插值功能，用戶可以僅計算轉速-轉矩曲線的非均勻轉速掃描點，軟件會在兩個求解的轉速點之間均勻插入轉速插值點。該功能可以與提高頻率分辨率功能結合使用，并支持object based和element based諧波電磁力的插值。

UDP功能是用戶自定義建模，Maxwell內部嵌入多個模型庫，用戶在UDP界面中輸入一些模型的關鍵參數，軟件會自動生成完整的幾何模型。新版本中UDP新增發卡式繞組的模型庫，支持整數槽發卡式繞組建立（具有多個閉合線圈回路的繞組，一個槽多個線圈）和分數槽發卡式繞組的建立（連接所有同相位線圈的一組或兩組繞組，繞組引線延伸到外部）。同時提供與MotorCAD之間的無縫連接，創建發卡繞組電機模型，生成的模型在Maxwell中可高效率的劃分網格。

隨著電腦的發展，GPU的功能越來越強大，用戶可以選擇使用GPU輔助加速求解。新版本中GPU計算功能得到增強，GPU可以支持更多的3D求解器：渦流場、靜磁場、瞬態磁場、靜電場、直流傳導場、瞬態電場、交流傳導場（未來版本）。由下表可以看出，使用GPU加速100萬左右的網格并沒有明顯的效果，但是對于150萬甚至更多的網格，使用GPU求解速度明顯增加，最高可以提速4倍左右。