最新版Ansys Maxwell 2021 R2是2021年的第二個版本，該版本主要增強(qiáng)了以下幾點功能：斜極建模功能增強(qiáng)、3D瞬態(tài)場求解器支持非線性阻抗邊界、DDM(區(qū)域分解）自動設(shè)置算法功能增強(qiáng)、支持溫度相關(guān)的BH退磁曲線、支持單個物體的渦流損耗和鐵耗輸出、集成了用于無線充電仿真的3D Components模型庫、A-Phi 求解器功能增強(qiáng)、多物理場耦合功能增強(qiáng) 、新3D AC Conduction求解(Beta)、Ansys Maxwell – PHI Mesh、推出電子桌面學(xué)生版等等。本文將對上述功能進(jìn)行簡要介紹。

自2021 R2版本開始，軟件支持分別設(shè)置轉(zhuǎn)子及定子Skew，同時支持多種Skew形式，如Continuous(連續(xù))、Step(一字分段)、V-Shape(V字分段)、User Defined(用戶自定義模式，允許用戶手動設(shè)置任意分段數(shù)和skew角度)，其中V形斜極和用戶自定義斜極，這對新能源電動汽車電機(jī)中的V型斜極等提供了方便，早前版本如用戶需要仿真V型分段斜極需要對多個不同算例進(jìn)行結(jié)果后處理得到。

User defined Skew

Maxwell2D Skew功能支持基于MPI的HPC計算，軟件把斜極的每個分段的有限元計算分布到不同的HPC計算資源實現(xiàn)并行加速計算。設(shè)置方法：Tasks=Cores，Tasks數(shù)比分段數(shù)大1，同時在Job distribution 中勾選Skew Model。

Tasks=Cores，Tasks數(shù)比分段數(shù)大1

在Job distribution 中勾選Skew Model

以一個10分段Skew案例為例，軟件劃分了100048個單元，設(shè)置的時間步長為200，得到不同求解方法的仿真計算時間如下表。

從仿真計算時間來看，相比于傳統(tǒng)的Sequential方法而言，采用Skew Model (MPI)方法計算時間大大縮短，速度提升近6.2倍。

2021 R2版本將非線性阻抗邊界從頻域擴(kuò)展到了時域，求解器采用的高精度創(chuàng)新算法，能大大縮短求解計算時間。對于一些實際的應(yīng)用如變壓器等，采用高效的方法可以考慮非線性材料中的渦流和損耗。

以一變壓器為例，3D瞬態(tài)場中，早期版本箱體被認(rèn)為是固體導(dǎo)體，從2021 R2版本開始可以將箱體當(dāng)作阻抗邊界條件，以此來減少網(wǎng)格規(guī)模及加速求解速度。

把箱體包含進(jìn)求解區(qū)域和把箱體當(dāng)成阻抗邊界條件兩種情況的網(wǎng)格規(guī)模及求解時間仿對比如下。

感應(yīng)電壓求解結(jié)果對比如下圖。

從上述結(jié)果來看，把箱體當(dāng)成阻抗邊界條件后，網(wǎng)格規(guī)模大大減少，求解時間大幅縮短，求解結(jié)果可靠性高。

在DDM(區(qū)域分解)算法方面，2021 R2版本支持自動設(shè)置求解方法為DDM混合并聯(lián)，混合并聯(lián)自動分配硬件資源以提高計算速度，混合并聯(lián)是內(nèi)存共享(OpenMP) 和分布內(nèi)存MPI求解方法的組合，通過混合并聯(lián)后，HPC性能能夠顯著提升。對于采用多核計算的大問題，如百萬級網(wǎng)格以上的模型好處尤為明顯。

上述表格中計算的案例有8416548個網(wǎng)格(8.4 million)，從仿真時間對比來看，相比2021 R1版本而言，2021 R2采用DDM混合并聯(lián)方法后，速度提高近3倍，有效提高了計算效率。

永磁體在實際運(yùn)行過程中，在不同溫度下的其退磁曲線是不同的。2021 R2版本能夠?qū)囟认嚓P(guān)的退磁模式進(jìn)行建模，該功能適用于釹鐵硼及鐵氧體等所有永磁體類型，使用該功能時，用戶需要輸入多條不同溫度下的退磁曲線。

不同溫度下的退磁曲線

2021 R2版本支持單個物體的渦流損耗和鐵耗輸出，用戶可以更加方便精準(zhǔn)的查看到某一部件或某一物體的損耗結(jié)果，為進(jìn)一步對其優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

設(shè)置方法需要在求解設(shè)置中勾選Output per object core loss及Output per object solid loss，這樣在后處理報告中即可單獨顯示每個物體的損耗。

勾選Output per object core loss及Output per object solid loss

后處理報告中單獨顯示每個物體的損耗

無線能量傳輸(WPT)是指發(fā)射和接收單元之間的能量傳輸，這項技術(shù)主要用于對電子設(shè)備進(jìn)行無線充電，比如手機(jī)和電動汽車。雖然無線能量傳輸可以帶來多項優(yōu)勢，但它仍面臨一些亟待解決的難題，這時就可以借助仿真的力量。Maxwell 2021 R2版本集成了用于無線充電仿真的3D Components模型庫，方便用戶進(jìn)行學(xué)習(xí)及分析，目前該模型庫僅支持Maxwell3D渦流場求解器。導(dǎo)入方法：選擇菜單Draw -> 3D Component Library -> Browse… 默認(rèn)路徑為C:\Program Files\AnsysEM\AnsysEM21.2\Win64\syslib\3DComponents\Maxwell3D\Qi Wireless Power Transfer System

無線充電仿真3D Components模型庫

A-Phi求解器主要是用在開關(guān)電源里面或者一些PCB板求解計算當(dāng)中。2021 R2版本對A-Phi求解器功能也進(jìn)行了增強(qiáng)，主要包含電容矩陣增強(qiáng) (DC+Static)、支持端口輸出電流/電壓、支持用戶控制程序用于電壓/電流激勵、支持基于部件或單元（表面和體積）的諧波力計算，包含第三方工具鏈接接口、支持多物理域仿真時基于時間平均的場量（損耗密度）、支持矢量磁位A用于后處理等等。

電容矩陣增強(qiáng)(DC+Static)

端口輸出電流/電壓

多物理場耦合功能主要增強(qiáng)以下幾點。NVH中的DFT窗口函數(shù)可選，覆蓋更多的實際應(yīng)用情況；支持任意斜極模型中基于單元的諧波力計算；支持溫度相關(guān)的多條退磁曲線；為增強(qiáng)型磁致伸縮力模型增加各向異性彈性屬性。

2021 R2版本支持轉(zhuǎn)子分段斜極(一字、V字和用戶自定義斜極) 的電磁力映射，Maxwell2D skew功能可處理多個slice上的電磁力并自動映射到諧響應(yīng), 大幅加快了永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子分段斜極的NVH分析。軟件支持集中力和分布力的加載方式。

一字斜極

多個slice上的電磁力并自動映射到諧響應(yīng)

ERP求解結(jié)果

2021 R2版本新3D AC Conduction求解功能支持非線性材料、各向異性材料、熱耦合功能。該功能主要應(yīng)用在如PCB板、電路參數(shù)抽取、有損材料高壓應(yīng)用及醫(yī)療應(yīng)用比如電阻抗斷層成像等場合。

各向異性材料避雷器應(yīng)用

各向異性FR4材料的PCB通孔應(yīng)用

Maxwell 2021 R2版本中，新增了Phi Mesh網(wǎng)格剖分方法。Phi Mesh特別適合于PCB類平面疊層結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)此類模型的特點即每一層的厚度相同的特點進(jìn)行網(wǎng)格剖分，采用先進(jìn)行面網(wǎng)格剖分，再取點生成體網(wǎng)格的方式，可以提升此類模型的網(wǎng)格剖分效率40-60倍。

Phi Mesh網(wǎng)格剖分方法主要應(yīng)用于PCB如功率分布分析、電介質(zhì)擊穿分析、因交流損耗產(chǎn)生的溫升分析及PCB機(jī)械性能和NVH分析等等。

PHI Mesh在PCB分析中的應(yīng)用

Ansys推出Electronics Desktop學(xué)生版產(chǎn)品，讓學(xué)生群體能夠更容易地獲取電子仿真軟件，為未來工程師推動新一代創(chuàng)新提供所需的技能。此次新發(fā)布的學(xué)生版軟件可讓學(xué)生免費使用Ansys行業(yè)領(lǐng)先的Electronics產(chǎn)品線，進(jìn)一步豐富且多樣化現(xiàn)有的學(xué)生產(chǎn)品，諸如Ansys Mechanical、Fluids、Discovery和SCADE產(chǎn)品。

使用Ansys Electronics Desktop學(xué)生版產(chǎn)品，學(xué)生可通過13種相關(guān)的Ansys創(chuàng)新課程（Ansys Innovation Courses）進(jìn)行課堂內(nèi)外的自主學(xué)習(xí)。免費的軟件下載和課程不僅能讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，同時也方便教育工作者介紹和強(qiáng)化各種物理概念。

Electronics Desktop學(xué)生版產(chǎn)品支持Windows系統(tǒng)，按年提供軟件，便捷的安裝方式。軟件包含HFSS、Maxwell、Q3D、Icepak等功能模塊，支持Geometry (DXF and STEP) import，支持仿真本地功能，最大支持4核心。需要注意的是，電子桌面學(xué)生版存在網(wǎng)格規(guī)模限制，同時場后處理也有一定的網(wǎng)格規(guī)模限制。

Ansys Electronics Desktop學(xué)生版

Ansys Electronics Desktop學(xué)生版功能模塊