Maxwell線圈的案例
基于ANSYS Maxwell的平面螺旋型線圈電感仿真分析
已知線圈的磁場能量與線圈電感 的關系為式(3)：
利用ANSYS Maxwell的場計算器求解線圈能量，選擇Maxwell 2D→Fields→Calculator，在輸入量Input中選擇求解量為能量Quantity→Energy，求解 空間為所有對象Geometry→All Objects，進行積分 Scalar→Integral→RZ，選擇Output→Eval，即可得到總能量為1.8266E-006J，由式(3)可得到圖1(a)所示平面螺旋型線圈的電感值為3.653 2uH。這與從電感矩陣計算出的電感值是一致的。
第二種建模方式，是對線圈進行簡化近似建模，在靜磁場求解器的RZ坐標系中，畫一個矩形(長11.5mm， 高1mm)表示線圈2D模型，如圖3所示。為線圈添加一 個高度和寬度均為100 mm的求解區域Region。給矩形加載激勵電流1A，并設置求解電感矩陣值，Maxwell 2D→Parameters→Assign→Matrix，在彈出的窗口中勾 選加載在矩形截面上的激勵源，并在Post Processing選項卡中，設置矩形截面的導線匝數Turns為10。設置完畢后，對模型進行分析求解。
在Maxwell 2D→Results→Solution Data窗口中查看求解結果，勾選Post Processed選項，得到線圈的電感值為3.645uH。由此可見，采用兩種建模方式得到的線圈電感值只相差0.0082uH，說明在實際應用中可以采用一個矩形作對平面螺旋型線圈進行建模。
展開 Maxwell中各種電磁線圈winding的互感結果到底是什么？
Maxwell中各種winding的互感結果到底是什么？（V:fwz0703）
1.自感結果
如圖所示，在Maxwell的eddy current中設置三個winding，然后添加parameters，后處理中很方便的能夠提取線圈繞組的電感，和互感等一系列和線圈相關的參數，結果如下所示：
可以看到線圈1，2，3的各自的自感數值，自感主要阻礙線圈中的電流變化速率的。具體參考上一篇文章，線圈里面的電流和電壓的關系為
2.互感結果
另外可以得到1-2，2-3，1-3之間的互感數值，也就是對應的互感。互感M=M12=M21，它表示兩個線圈之間的磁耦合程度。當線圈 1 中有電流變化時，會產生磁場，這個磁場的一部分磁通會穿過線圈 2，從而在線圈 2 中產生感應電動勢。根據法拉第電磁感應定律，線圈 2 中感應電動勢U2與線圈 1 中電流的變化率di/dt之間的關系如下，從而根據互感就能得到另外一個線圈的電壓值。
U2=-M*(di/dt),
另外還有一個概念是互感系數：互感耦合系數（用K表示）是用來衡量兩個相互靠近的線圈之間磁耦合緊密程度的一個無量綱參數。它的定義是：
其中M是兩個線圈之間的互感，L1和L2分別是兩個線圈的自感。
3.互感系數的相互影響
如果有三個線圈，那么第1-3個線圈互感是否受到第2個線圈的影響？計算的時候如何設置第2個線圈？測試為準，得到的結果如下圖所示：
結論如下：
線圈之間的互感是各自獨立計算的結果，中間線圈無關，但是周圍可能感應電流的封閉導體有關。
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★ 案例：繞線電感仿真案例+demo
★ 案例：LTCC電感仿真演示和練習
★ 高頻變壓器電磁仿真方案介紹
★ 案例：高頻變壓器電磁仿真demo
第二天
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★ Maxwell高頻變壓器專用ETK工具使用練習（含PExprt介紹和練習）
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展開 ANSYS知識庫 | Maxwell相關后處理問題（五）
在Maxwell中如何實現？
Maxwell電磁場分析加載電流的三種方法
圖2.5 加載數據集電流
3加載外部電路
該方法需要借助ANSYS Electromagneticssuite的其他軟件——ANSYS Maxwell Circuit Editor。如果用戶安裝的是ANSYS EM套件，那么該軟件是包含在其中的，在開始菜單所有程序下就可以找到。從軟件名字就可以知道它是用來設計一些電路的，用起來也比較簡單拖拽幾個模塊連線就可以了。這里簡單演示下怎么用Circuit Editor 編輯一個脈沖電路，并將脈沖電流文件導入到Maxwell模型中。如有問題可關注微信公眾號ANSYS有限元仿真聯系到作者。
打開外電路編輯軟件，主界面如下圖3.1。
圖3.1 CircuitEditor主界面
拖拽脈沖電流源，線圈，導線，接地單元組成下圖3.2所示電路。原件用紅色框已標出。
圖3.2 脈沖電路
可以用鼠標右擊脈沖電源選擇properties菜單進入脈沖電流的參數設置窗口。如下圖3.3。查詢參數含義可以點擊info行的Ipulse按鈕，就會轉到help解釋頁面。
圖3.3 脈沖電流參數設置
然后更改線圈名稱如下圖3.4。注意外電路里的線圈名稱要與Maxwell里面的線圈名稱一致。這里都設置為Winding3。否則外電路里的線圈不能與Maxwell里的線圈聯系起來。
圖3.4 更改線圈名稱
電路設置完畢，下一步導出該脈沖電流文件。點擊Maxwell Circuit菜單，再點擊Export Netlist，導出為*.sph格式的文件。注：勿用中文的文件名，maxwell文件也是一樣。
下一步到Maxwell中去導入該外電路文件。導入操作路徑如下圖3.5。
圖3.5 導入外電路
然后進入編輯外電路窗口圖3.6，點擊Import Circuit選擇剛剛保存的*.sph文件。
展開 Maxwell中后處理中Winding的各個參數到底是什么？——Maxwell技術3
Maxwell中winding設置后的后處理中Winding的各個參數到底是什么？
在Maxwell的eddy current和transient分析中線圈可以設置為winding方式，這種簡化方式極大的方便了用戶的使用，而且后處理中很方便的能夠提取線圈繞組的電感，感應電壓，電流，功耗等一系列和線圈相關的參數
舉例：以簡單模型為例來說明其作用。兩個線圈，下方為500A*1圈的激勵電流，上方為感應線圈，計算相應的參數，采用winding輸入的參數如圖所示：
通過后處理的結果可以得到winding 的如下選項
計算之后的各個結果如下：
1.Input current(winding1)表示當前線圈1輸入的為電流方式，結果如圖所示，和輸入的參數相同。為一個上升過程的電流曲線值。
展開 電磁閥“電磁-溫度-流體-應力”多物理域耦合仿真分析
另外，ANSYS Fluent計算的壓力結果作為載荷邊界條件加入了在Maxwell的計算。
整個分析過程在ANSYS Workbench平臺下的流程如下：
Workbench多物理場耦合仿真流程
根據提供的電磁閥模型stp格式的CAD文件，直接輸入到workbench平臺下的MAXWELL 3D中，對其各部分部件分配材料，如下圖：
因為該電磁閥是直流電源供電，所以沒有渦流損耗和磁滯損耗，主要是線圈通電的銅損，仿真結果如下圖，從圖中可以看出，電磁閥的損耗主要集中在線圈上，與理論推導一致。
所以重點考察線圈繞組上的損耗，輸入ANSYS Mechanical, 考察系統溫升。如下圖
線圈繞組焦耳損耗分布
Maxwell計算線圈生熱導入Mechanical
然后進行流體分析計算。本案例中的原始CAD模型只包含了固體區域，比如活門，彈簧，銜鐵，墊圈，頂桿等，做CFD仿真分析需要事先將流體域（通流域）抽出來，并設定相應的邊界條件。
以控制口0.5mm開度情況為例，原始模型和抽取出來的流體以及網格如下圖所示：
流體域網格
Fluent設置好相應的邊界條件后，將流體計算壓力和對流系數邊界條件在workbench平臺下導入Mecahnical進行力學分析。
該電磁閥結構分析的幾何模型及有限元如下，彈簧模型采用Mechanical的彈簧單元進行簡化。整個電磁閥結構結構左端固定，導入Maxwell計算的生熱計算溫度分布，之后導入Fluent計算的壓力分布和對流換熱進行結構應力分析。結構熱應力分析參考溫度為室溫22°。
電磁閥結構分析有限元模型
Fluent計算壓力導入Mechanical映射
Mechanical導入磁場，流場后溫度分布結果
文章來源：上海安世亞太
展開 電磁閥“電磁-溫度-流體-應力”多物理域耦合仿真分析
該電磁閥模型采用ANSYS Maxwell電磁場分析計算線圈繞組的生熱，計算得到的結果導入ANSYS Mechanical的熱分析模塊計算電磁閥的溫度分布，再將計算的結果導入ANSYS Mechanical結構分析模塊進行熱應力分析。同樣采用ANSYS Fluent計算電磁閥噴油燃料的流場分布，包括壓力，速度分布等。并可將壓力分布和噴油燃料和電磁閥結構的之間的換熱系數導入ANSYS Mechanical作為邊界條件進行電磁閥的結構力學分析。另外，ANSYS Fluent計算的壓力結果作為載荷邊界條件加入了在Maxwell的計算。
整個分析過程在ANSYS Workbench平臺下的流程如下：
Workbench多物理場耦合仿真流程
根據提供的電磁閥模型stp格式的CAD文件，直接輸入到workbench平臺下的MAXWELL 3D中，對其各部分部件分配材料，如下圖：
因為該電磁閥是直流電源供電，所以沒有渦流損耗和磁滯損耗，主要是線圈通電的銅損，仿真結果如下圖，從圖中可以看出，電磁閥的損耗主要集中在線圈上，與理論推導一致。
所以重點考察線圈繞組上的損耗，輸入ANSYS Mechanical, 考察系統溫升。如下圖
線圈繞組焦耳損耗分布
Maxwell計算線圈生熱導入Mechanical
然后進行流體分析計算。本案例中的原始CAD模型只包含了固體區域，比如活門，彈簧，銜鐵，墊圈，頂桿等，做CFD仿真分析需要事先將流體域（通流域）抽出來，并設定相應的邊界條件。
展開 案例-Ansoft Maxwell燃油電磁閥電磁鐵的環境溫度影響特性
為研究環境溫度對燃油電磁閥電磁鐵驅動性能的影響，基于電磁閥工作原理和執行機構作動特性等關系，建立了熱環境下電磁閥的數學模型，通過溫度與磁場特性分析確定了對溫度最敏感的關鍵功能部件為電磁線圈。利用有限元軟件 Ansoft Maxwell對由線圈和銜鐵構成的電-機械轉換器進行了數值模擬，得到不同環境溫度下電磁鐵磁感應強度分布及系統關鍵響應 指標，研究了閥啟閉過程的靜態和動態特性。分析在額定工作狀態下環境溫度對電磁鐵磁場分布和響應特性的影響，獲得不同環境溫度下的線圈電流、電磁力、銜鐵速度及位移的變化和響應規律。
基于電磁力和動態響應分析某直動式2位2通燃油開關電磁閥在不同環境溫度下的輸出特性及 內在機理，研究環境溫度對電磁閥驅動裝置的影響，為電磁閥的優化設計提供參考。
1 原理與數學模型
1.1 構成原理
某燃油開關電磁閥結 構如圖 1 所示。電磁閥主 要由閥體、線圈、彈簧、銜 鐵和閥芯（圖中連為一體） 等組成。當電磁閥通電時，磁 路中產生電磁力使銜鐵克 服彈簧阻力、油液壓力和 摩擦力向上移動，閥開啟使燃油介質流通；當電磁閥 斷電時，磁路中產生的電磁力消失，銜鐵在彈簧復位 力的作用下向下移動至閥關閉。
圖1 電磁閥結構
1.2 數學模型
電磁閥是電、磁、機、液的非線性耦合體，其工作過程就是四者相互作用的過程。
同樣案例分享對原理性方程不做過多介紹，主要應用以下方程：電路方程、磁路方程、運動方程、流量方程、以及溫度與線圈磁動勢關系方程。
電磁力大小與磁動勢、氣隙 長度及磁路截面積有關，而磁動勢受環境溫度影響。
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