Maxwell外電路的案例
ANSYS知識庫 | Maxwell相關：典型應用問題（三）
有限元模型與激勵
★ 第二步，編輯外電路
Maxwell外電路
★ 外電路中ECE3_model的參數(shù)定義
Maxwell外電路中的ECE3_model模型參數(shù)
其中Windings要輸入電流掃描的繞組，以逗號相隔，
CurrentSweeps定義的電力掃描，格式見后面的描述說明。例如，在上圖中，定義電流掃描為0A、2A、4A、6A、8A、10A。在參數(shù)掃描的時候，會計算0A、2A、4A、6A、8A、10A、-2A、-4A、-6A、-8A、-10A共11個電流點。
★ 外電路中ECER_model的參數(shù)定義
Maxwell外電路中的ECER_model模型參數(shù)，
其中RotAngMax是最大掃描角度，對于三相電機而言只需要60度電角度，在這里機械角度就是30度；RotAngIntervals定義的是角度掃描的點數(shù)，這里選擇30。在本例中，角度周期是30度、掃描30個點。所以總的計算點數(shù)是11*11*30=3630個點，在Maxwell瞬態(tài)場中會計算3630個時間點。在Maxwell2D中大約需要半個小時。
展開 Ansys空心杯電機仿真方案
空心杯電機本體仿真
定子繞組建模是空心杯電機仿真的關鍵
空心杯線圈UDP
-Maxwell內(nèi)嵌的空心杯線圈CupCoil UDP能夠快速輕松的建立線圈的全參數(shù)化幾何模型
-后續(xù)可以簡單的對線圈的直邊長、節(jié)距等設計參數(shù)進行參數(shù)和優(yōu)化分析
空心杯電機繞組建模
-按如下參數(shù)生成空心杯電機的單個繞組
-沿Z軸復制生成六個繞組
生成空心杯電機完成模型
-外部輸入或直接在Maxwell內(nèi)部建立電機定子、轉子、永磁體模型，裝配成完整的空心杯電機模型，并賦予相應的材料特性。
空心杯電機3D模型仿真
-外部輸入或直接在Maxwell內(nèi)部建立電機定子、轉子、永磁體模型，裝配成完整的空心杯電機模型，并賦予相應的材料特性。
-把3D模型沿Z軸切割，可得如下空心杯2D模型，設置合適的模型深度和等效材料特性，并對繞組重新進行分相后，也可以仿真空心杯電機的特性，仿真速度遠快于3D模型。
空心杯電機等效電路模型提取
采用對有限元模型的定子電流和轉子位置進行遍歷的方式，基于高精度的有限元仿真提取出空心杯電機的精確等效電路模型，然后可在TwinBuilder中利用該等效電路模型搭建外部的控制電路和控制算法，從而既保證仿真精度，又保證仿真速度。
-把繞組的激勵類型設置為外部External，并設置繞組初始電流為0。
-插入一個Maxwell外電路激勵。
展開 ANSYS低壓電器設計解決方案
場路耦合控制系統(tǒng)
不同的電路連接形式
- 可以和Maxwell外電路直接耦合仿真，能夠分析更復雜的控制特性，
- 可以直接與Simplorer聯(lián)合，實現(xiàn)復雜的控制算法
此外，可以通過直接耦合到FEA解決方案的外部定義電路來控制勵磁。該電路包括線圈端子之間的齊納二極管。這兩個子電路控制開關的定時。該電路是裝置的滯后電流控制，一旦裝置關閉，將保持電流在預定義的上下電流值。這允許設備在較低的功率水平下保持關閉，并防止線圈過熱。
控制分析案例
電流斬波控制
通過與位置曲線（紅色）相對應的電流波形（藍色）中的反電動勢下降，可以清楚地看到執(zhí)行器的關閉。齊納二極管電流也顯示為綠色。
注意，滯后控制將電流保持在控制電路規(guī)定的上限和下限范圍內(nèi)。我們還能夠指定電路中使用的時間步，獨立于FEA時間步，這確保我們捕獲遲滯控制的切換瞬間，而不超過或低于電流限制。
參數(shù)化和優(yōu)化設計案例：電磁力優(yōu)化
作動器究竟采用什么磁極形狀才能更好的滿足電磁力需求？
- 滿足彈簧的特性曲線
優(yōu)化變量
> Gap
> Core Step Height
> Core Step Radius
> Armature Step Height
> Armature Step Radius
通過在“設計特性”窗口中檢查模型中存在的變量，可以選擇這些變量進行優(yōu)化。上圖中列出并顯示了此優(yōu)化中使用的變量。
展開 ANSYS知識庫 | Maxwell激勵設置及網(wǎng)格剖分設置問題（一）
外電路中定義變量
導出sph網(wǎng)表文件
在Maxwell中導入外電路sph網(wǎng)表文件
在Maxwell中重新定義變量
作動器仿真設計解決方案
一、電磁分析及優(yōu)化設計
ANSYS Maxwell的靜態(tài)或者瞬態(tài)求解器可以完成作動器二維和三維電磁場分析。通常情況下，在靜態(tài)仿真中把線圈的形狀、匝數(shù)和線徑以及幾何尺寸等參數(shù)設為參數(shù)化變量，改變線圈電流和銜鐵位置而輸出一組反映力和位置的曲線。由于Maxwell使用了自動自適應網(wǎng)格剖分技術，變量的參數(shù)化/優(yōu)化掃描變得非常的容易。
除了靜態(tài)方法以外，使用Maxwell瞬態(tài)求解器，可以仿真在考慮了電氣控制和機械負載的條件下，銜鐵到達閉合位置的速度問題。例如：外加激勵電壓源為任意波形（或者使用Maxwell自帶的circuit editor工具），同時考慮材料的非線性，考慮機械的運動方程（包含了阻尼、負載力，而且它們都可以是關于位置、速度或者時間的函數(shù)），考慮電渦流和磁擴散，其仿真結果如下圖所示。
圖：采用Maxwell自帶的外電路編輯器實現(xiàn)斬波電流激勵瞬態(tài)仿真結果：位置波形、線圈電流和二極管電流波形
圖：基于瞬態(tài)電磁分析優(yōu)選滿足負載力要求的設計方案
圖：基于瞬態(tài)電磁分析優(yōu)選滿足閉合時間要求的設計方案
二、電磁、熱耦合分析
Maxwell瞬態(tài)電磁場仿真分析得到的線圈和鐵芯損耗，可通過ANSYS Workbench環(huán)境映射到ANSYS Mechanical或者ANSYS CFD（計算流體動力學）軟件Fluent中做熱分析。
展開 ANSYS在電磁作動器設計中的仿真應用
本文給出了一個強有力的仿真案例：外加激勵電壓源為任意波形（或者使用Maxwell自帶的circuit editor工具），同時考慮材料的非線性，考慮機械的運動方程（包含了阻尼、負載力，而且它們都可以是關于位置、速度或者時間的函數(shù)），考慮電渦流和磁擴散，其仿真結果如圖3所示。
圖3采用Maxwell自帶的外電路編輯器實現(xiàn)斬波電流激勵瞬態(tài)仿真結果給出了位置波形、線圈電流和二極管電流波形。
系統(tǒng)仿真
ANSYS Twin Builder是功能強大的多域機電系統(tǒng)設計與仿真分析軟件，用于電氣、電磁、電力電子、控制等機電一體化系統(tǒng)的建模、設計、仿真分析和優(yōu)化。Twin Builder提供了多種建模語言，包括電路、方框圖、狀態(tài)機、方程、VHDL-AMS、SML以及C/C++等標準建模語言。這些語言可混合使用，輕松建立模擬、數(shù)字和混合信號的多域設計模型。
對于需要高精度建模的系統(tǒng)組件，Twin Builder能夠直接和業(yè)界領先的ANSYS電磁場仿真工具動態(tài)鏈接，包括：Maxwell，Q3D Extractor，RMxprtTM，PExprtTM，ANSYS Icepak和ANSYS MechanicalTM等。這種協(xié)同仿真技術和模型降階技術讓Twin Builder具有強大的基于物理原型的系統(tǒng)仿真能力。
在本作動器案例中，若需要更具體的電子電路模型，Twin Builder可以與Maxwell協(xié)同仿真（在Maxwell中考慮了材料的非線性、電渦流和磁擴散），或者使用等效電路模型（等效電路是作動器位置和電流參數(shù)化掃描優(yōu)化結果，同時忽略了線圈的渦流效應）。圖4展示Twin Builder平臺下多物理域部件無縫集成的協(xié)同仿真系統(tǒng)：設備級的電力電子器件、閉環(huán)控制系統(tǒng)、精確的二維或者三維作動器模型、以及機械或者液壓負載等。
展開 ANSYS知識庫 | Maxwell激勵設置及網(wǎng)格剖分設置問題（一）
外電路中定義變量
導出sph網(wǎng)表文件
在Maxwell中導入外電路sph網(wǎng)表文件
在Maxwell中重新定義變量
3、如何在Maxwell current激勵下設置電流突變（=0）設置?
Maxwell仿真的疑難問題解答（下）
作者：安萬強，安世亞太電磁仿真工程師
來源：本文為安世亞太原創(chuàng)作品，上海安世亞太授權轉載
Maxwell目前被越來越多的低頻電氣設備仿真計算所使用，在越來越多的應用計算中，難免遇到各種各樣的問題，本文集錦了Maxwell在使用中出現(xiàn)頻率較多的問題，希望可以幫助用戶解決仿真中的疑惑。
Maxwell仿真的疑難問題解答（上）
6. 如何定義全局變量？
Maxwell 變量有全局變量和局部變量之分，前者可應用于當前 Project下所有模型，后者只能用于當前模型。如何定義全局變量？
以下就建模案例介紹解決辦法：
建立一個矩形，修改其參數(shù)，在 Xsize中輸入“$xsize”。變量前加上“$”，即為全局變量。
在 Project 屬性窗口中，可以看到定義的全局變量。
7. 如何將外電路模塊中的變量傳遞到 Maxwell？
1）外電路中定義變量：
2）導出 sph 網(wǎng)表文件：
3）在 Maxwell 中導入外電路 sph 網(wǎng)表文件：
4）在 Maxwell 中重新定義變量：
8. 如何在 Maxwellcurrent 激勵下設置電流突變（=0）設置?
1）定義一個變量 zerotime。
2）定義電流源帶變量：5*1.414*sin(2*pi*180*time+53.7*pi/180)*pwl(zerotime,time)
輸出/輸入電流波形，在 0.0055s 時電流變?yōu)?。
9. 如何設置直線電機的主從邊界條件？
1）設置方式：設置主邊界條件。
2）設置從邊界條件。
展開 Maxwell仿真的問與答
Maxwell 求解域 region 尺寸參數(shù)化定義。
在某些應用中，求解域 region 的空氣盒子大小對結果有比較明顯的影響，為了能夠快速定義一個合適的大小，可以把 region 的比例定義為一個變量，且施加邊界條件，參數(shù)化掃描 region 的比例值，邊界會自動更新，十分方便。
以求解永磁體對鐵磁材料的磁拉力計算為例：
正常定義模型和region，在region中定義變量 RGV。
設置參數(shù)化掃描，求解計算，查看結果。
對比不同尺寸的region：從掃描結果可見，region>1000%以后，2條曲線值比較穩(wěn)定且結果接近。
6. 如何定義全局變量？
Maxwell 變量有全局變量和局部變量之分，前者可應用于當前 Project下所有模型，后者只能用于當前模型。如何定義全局變量？
以下就建模案例介紹解決辦法：
建立一個矩形，修改其參數(shù)，在 Xsize中輸入“$xsize”。變量前加上“$”，即為全局變量。
在 Project
屬性窗口中，可以看到定義的全局變量。
7. 如何將外電路模塊中的變量傳遞到 Maxwell？
1）外電路中定義變量：
2）導出 sph 網(wǎng)表文件：
3）在 Maxwell 中導入外電路 sph 網(wǎng)表文件：
4）在 Maxwell 中重新定義變量：
8. 如何在 Maxwellcurrent 激勵下設置電流突變（=0）設置?
1）定義一個變量 zerotime。
展開 ANSYS知識庫 | Maxwell激勵設置及網(wǎng)格剖分設置問題
外電路中定義變量
導出sph網(wǎng)表文件
在Maxwell中導入外電路sph網(wǎng)表文件
在Maxwell中重新定義變量
3、如何在Maxwell current激勵下設置電流突變（=0）設置?
