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(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ECE ROM模型、ACT功能增強/發(fā)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(yīng)用在開關(guān)電源和電機領(lǐng)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(shù)、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(yīng)和鄰近效應(yīng)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(tài)場與諧響應(yīng)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(yīng)分析的耦合。渦流場主要用于變壓器等設(shè)備的電磁場分析，此功能可以實現(xiàn)基于渦流場的電磁力耦合到諧響應(yīng)分析中，對變壓器振動噪聲進行仿真。Maxwell會自動設(shè)置結(jié)構(gòu)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(jù)輸入的曲線和Steinmetz公式Maxwell會擬合出Kh、Kc、Ke系數(shù)，這個系數(shù)不隨溫度而變化。

新版中對于瞬態(tài)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(jù)公式自動抽取每個溫度下的鐵損系數(shù)Kh、Kc、Ke，同時可以對溫度進行參數(shù)化掃描。鐵芯的鐵損系數(shù)不是固定的，而是與空間位置有關(guān)，鐵損系數(shù)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(yīng)用在變壓器設(shè)備，交變電流在鐵磁材料中會產(chǎn)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(nèi)設(shè)置很精確的網(wǎng)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(nèi)不設(shè)置網(wǎng)格剖分，鐵磁材料的損耗等參數(shù)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(shè)置阻抗邊界條件時可以使用溫度相關(guān)的材料屬性，阻抗邊界條件下的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率可以與溫度相關(guān)，允許用戶通過定義函數(shù)的方式考慮溫度對材料特性的影響。

瞬態(tài)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(shù)據(jù)用戶不希望看到某個時間點的數(shù)據(jù)，而是需要周期內(nèi)的平均值。新版本中新增此功能，瞬態(tài)求解器可以顯示時間平均的場圖分布。當用戶保存場數(shù)據(jù)后，Maxwell支持輸出損耗或者Named Expressions中定義的場數(shù)據(jù)的時間平均值，場結(jié)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(yīng)用是在瞬態(tài)場中查看在一個電周期內(nèi)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(shù)，該函數(shù)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(shù)，該函數(shù)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(shù)可以定義材料溫度特性隨空間的變化。該函數(shù)的表現(xiàn)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(shù)據(jù)，也可以是測試的數(shù)據(jù)。定義空間材料溫度數(shù)據(jù)的文件格式為.tab，該函數(shù)適用于2D/3D瞬態(tài)求解器。

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

仿真電機的NVH性能時，Maxwell與Mechanical聯(lián)合仿真可以得到多轉(zhuǎn)速下的瀑布圖，Maxwell把頻域的電磁力數(shù)據(jù)傳遞到結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(tài)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(jié)構(gòu)場中；而Maxwell與Motion耦合仿真時，Maxwell要把定子和轉(zhuǎn)子的電磁力都傳遞到Motion中。電機轉(zhuǎn)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(jié)果進行瑞利積分，取MIC上面的表面速度計算聲壓，再把數(shù)據(jù)耦合到噪聲分析軟件VRXPERIENCE Sound中，可以進行聲音品質(zhì)的設(shè)計和分析。

由于永磁電機轉(zhuǎn)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(yīng)電機轉(zhuǎn)子表面存在渦流，所以感應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)差率，推導(dǎo)具有渦流效應(yīng)的多相感應(yīng)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(yīng)用于感應(yīng)電機的矢量控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真和機電系統(tǒng)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(guān)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(zhuǎn)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(shè)置為“Litz Wire”, 并定義導(dǎo)線形狀，并繞根數(shù)和單線尺寸，Machine Toolkit利用“StrandedlossAC” 計算結(jié)果作為繞組交流損耗。

用戶自定義的Frequency vs. AC Resistance數(shù)據(jù): 用戶可以指定一個.txt文件，該文件是頻率與交流電阻數(shù)據(jù)的表格。文件的第一行定義頻率和電阻的名稱以及單位，數(shù)據(jù)導(dǎo)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(shù)據(jù)。

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(yīng)電機，同步磁阻電機和繞線轉(zhuǎn)子同步電機和2~8相的開關(guān)磁阻電機的map圖的計算。對于除開關(guān)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(zhuǎn)速。支持周期性和半周期性TDM。出于穩(wěn)定性考慮，在電動機模式下，gamma范圍為（45°~90°），在發(fā)電機模式下，gamma角范圍為（90°~135°）。

4. 開關(guān)磁阻電機Map計算

開關(guān)磁阻電機掃描變量是電流、gamma角和轉(zhuǎn)速。Toolkit目前支持2~8相的開關(guān)磁阻電機。用戶需要在ACT中輸入定子相數(shù)、轉(zhuǎn)子極數(shù)、電流、滯環(huán)控制下的導(dǎo)通寬度等參數(shù)。

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(zhuǎn)速和勵磁電流。四個變量都掃描的話會導(dǎo)致計算時間非常長。改進的方法是在ACT腳本內(nèi)部取消轉(zhuǎn)速掃描，以最大轉(zhuǎn)速的一半進行仿真，并用這個結(jié)果評估其他轉(zhuǎn)速下的結(jié)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(zhuǎn)速掃描的功能，當使用該功能時軟件僅仿真參考轉(zhuǎn)速（最大轉(zhuǎn)速的一半），其他轉(zhuǎn)速下的性能將根據(jù)參考速度的仿真結(jié)果進行推導(dǎo)，取消轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子鐵耗分離

新版本中ACT新增定子和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子鐵心損耗。由于轉(zhuǎn)子鐵損頻率接近于0，所以轉(zhuǎn)子鐵損與轉(zhuǎn)速關(guān)系不密切，但受電流影響比較大；定子鐵損既跟電流有關(guān)又與轉(zhuǎn)速有關(guān)，損耗主要集中在map圖的右上角。

對于電機多轉(zhuǎn)速NVH分析（Maxwell到Mechanical諧響應(yīng)分析），新版本中新增轉(zhuǎn)速插值功能，用戶可以僅計算轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線的非均勻轉(zhuǎn)速掃描點，軟件會在兩個求解的轉(zhuǎn)速點之間均勻插入轉(zhuǎn)速插值點。該功能可以與提高頻率分辨率功能結(jié)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(nèi)部嵌入多個模型庫，用戶在UDP界面中輸入一些模型的關(guān)鍵參數(shù)，軟件會自動生成完整的幾何模型。新版本中UDP新增發(fā)卡式繞組的模型庫，支持整數(shù)槽發(fā)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(shù)槽發(fā)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(chuàng)建發(fā)卡繞組電機模型，生成的模型在Maxwell中可高效率的劃分網(wǎng)格。

隨著電腦的發(fā)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(tài)磁場、靜電場、直流傳導(dǎo)場、瞬態(tài)電場、交流傳導(dǎo)場（未來版本）。由下表可以看出，使用GPU加速100萬左右的網(wǎng)格并沒有明顯的效果，但是對于150萬甚至更多的網(wǎng)格，使用GPU求解速度明顯增加，最高可以提速4倍左右。