場路耦合的案例
Comsol基于場路耦合的三相電力變壓器電磁場計算
1.2 場路耦合電路方程
如圖1所示等效電路模型即為用于場路耦合計算的繞組回路的等效電路。
圖1. 場路耦合的等效電路模型
電路分析中，因為繞組中渦流的影響很小，可將其忽略，則等效電路的電路方程可表示為：
為建立電路和場耦合的聯系，根據電磁感應定律，可以用繞組所交鏈的磁鏈的變化率來表示繞組所產生的感應電動勢：
渦流計算中，繞組的磁鏈可表示為：
將上面2個公式并進行離散，得到：
Ps:因不法商家瘋狂盜取本公眾號截圖，對工作室造成了不良影響，因此文章選圖皆做水印處理，為此給大家帶來不便敬請諒解。
2. 物理模型
由于變壓器內部幾何結構復雜，各部分結構尺寸相差懸殊，在滿足電磁場求解精度的前提下，為了合理簡化求解過程，以滿足計算機工作限度，在場路耦合的電磁計算中對變壓器模型作出以下基本假設：
（1）由于計算條件的限制，近似認為變壓器結構件的材料均勻，各向同性；
（2）將變壓器原邊繞組和副邊繞組等效為圓筒狀；
（3）變壓器三相鐵芯繞組完全對稱，變壓器內部繞組中心處連線縱向軸面前后對稱，左右對稱；
（4）基于電磁感應原理工作的變壓器，其電磁關系主要由鐵芯和繞組決定，忽略變壓器內夾件、拉板等其他結構件的影響，只保留變壓器的鐵芯和繞組。具體計算模型和材料參數如圖2和3所示。
圖2. 計算模型
圖3. 材料參數設置
3. 物理場邊界條件
基于場路耦合數學模型對變壓器運行在額定工況時的內部電氣量變化和內部磁場分布情況進行仿真計算，分析變壓器內部電磁性能規律。物理場邊界條件及場路耦合模型設置如圖4所示，網格剖分及質量分布如圖5所示。
圖4. 物理場邊界條件及場路耦合模型
圖5.
展開 【10月18-21日】變壓器、電磁閥等機電產品Maxwell和Simplorer場路耦合工程應用專題
一、給方法解決以下關鍵問題：
1、仿真分析結果主要在于經驗積累，12年以上正脈工程應用專家帶你答疑解惑
2、有效掌握變壓器、電磁閥機電產品Maxwell和Simplorer場路耦合工程分析方法+實操模型訓練
3、所有實例緊緊圍繞變壓器、電磁閥等機電產品Maxwell和Simplorer場路耦合工程分析為核心目標，進行實操模擬訓練
二、12個實例模型貼近工程實戰操作：
實例01：螺旋線圈磁場仿真
實例02：磁場類型問題分析
實例03：電場類型問題分析
實例04：電動機2D場分析
實例05：電磁閥3D場分析
實例06：穩壓電路分析
實例07：直流電動機電流和速度控制分析
實例08：三相PWM整流橋電動機C模型分析
實例09：電磁制動器場路耦合分析
實例10：無線充電器場路耦合分析
實例11：永磁電機場路耦合分析
實例12：電磁爐場路耦合分析
三、差異化、效果保證：
1、實戰：專注CAE仿真計算12年，有自己的超算中心，積累了大量的項目工程案例
2、原理：帶領學員訓練實操過程，注重步驟和設置原理
3、系統：7600+學員反饋、工程實例更新與精選，形成系統的版權知識體系
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5、效果：所有學員提供高配筆記本、工程模型、電子資料、操作軟件、操作指導與反饋
四、增值服務
持本人學生證或教師證享有9折優惠；一個單位同時報名2人享有9折優惠； 一個單位同時報名3人以上（含）享有8.5折優惠。
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4、軟件所有功能介紹（支持永磁同步電機、異步電機、無刷電機、串激電機等20多種電機類型快速計算，支持電機內電磁、機械、溫升、NVH多物理域耦合求解、內嵌控制算法等）。
5、合理的設置軟件的輸入（電機尺寸參數）及邊界條件（溫度、工藝影響、材料特性等）的設置使得仿真和測試誤差無限縮小。
6、如何能夠持續不斷的獲得不同電機類型磁路法、場路耦合及有限元計算的權益。
電動車驅動電機振動噪聲研究綜述
2013年于蓬等利用場路耦合，得到了考慮外控制電路作用下的電磁激勵。此外，2010年唐任遠發現控制電流相位偏差引起2階轉矩波動】，證實了外控制電路可產生多源激勵引起電機振動。
3．4 其他激勵
機械激勵：軸承或電刷裝置等的機械摩擦，轉子動不平衡是最常見的機械振動激勵；電機內的冷卻風扇轉動激勵電機產生噪聲；路面不平造成的附著力波動是引起驅動電機扭振的激勵。
4 基于磁固耦合的電機振動噪聲動態響應分析研究
4．1 結合場路耦合對電磁激勵進行仿真、利用ROMAX仿真獲得機械激勵
針對電機本身電磁激勵，國內外多采用電磁分析軟件仿真電磁力，早期，1997年比利時提出了計算徑向電磁力的方法，隨著有限元法的普及，多利用電磁有限元仿真軟件對電機磁場分析，2012年后考慮多物理場對電機的影響，建立了永磁同步電機多物理模型。
由于考慮外控制電路產生的電磁激勵，2012年國外學者、2013年國內學者開始進行場路耦合仿真電磁激勵，分別用有限元軟件對電機進行電磁仿真、用MATLAB／simulink搭建控制電路模型，結合兩者得到電磁激勵。
展開 
切向電磁力對電動車動力總成振動噪聲的影響分析
圖11 電機表面振動加速度頻譜圖
圖12 減速器軸承座處聲壓階次圖
6 結論
本文首先基于場路耦合對電機的電磁場進行分析，得到了電機穩態過程中的徑、切向電磁力。將動力總成穩態下電機定子受到的電磁力進行傅立葉分析，得到電磁力的諧波成分。在ANSYS Workbench中建立了電動車動力總成有限元模型，分析了切向電磁力對系統振動噪聲特性的影響，并進行了試驗研究。得到的主要結論如下:
1)減速器的存在使得系統的振型變得復雜，不再是典型的電機振型，而是既有單獨的電機振型，也有單獨的減速器振型，還有二者耦合的整體振型。
2)動力總成固有頻率分布密集，在電磁力的諧波頻率附近都存在著多個固有頻率，會對系統振動噪聲特性產生影響。
3)電機與減速器集成化后，切向電磁力產生了不可忽略的影響:振動方面，切向電磁力僅對電機表面的切向振動產生影響而對徑向振動沒有影響，但是從減速器表面的振動情況來看，切向電磁力在2000Hz和2400Hz處產生了明顯的振動;噪聲方面，切向電磁力對電機表面的聲壓級貢獻不大，只是在2400Hz左右有4dB的差別。而對減速器表面2000Hz～2400Hz范圍內的聲場貢獻較大。其原因在于，整體考慮電機與減速器后，系統的振動特性發生改變，切向電磁力會對減速器產生影響，而且切向電磁力在固有頻率2000Hz和2400Hz處存在諧波分量。
展開 Ansys電力變壓器解決方案
電力變壓器設計挑戰
目前面臨的挑戰：
1、磁場
? 非線性材料
? 渦流電流
? 磁場隨時間的變化
? 瞬態激勵源下的磁場變化
? 空間磁場分布
2、電場
? 介電常數的變化
? 電極的尺寸和形狀
? 空間電場分布
變壓器的兩個類別
變壓器可以分為兩類進行FEA仿真：
? 電力變壓器
‐ 頻率50‐60Hz
‐ 功率范圍kW‐MW
‐ 主要使用渦流場和靜電場求解器
‐ 鐵芯采用非線性硅鋼片疊壓而成
? 電子變壓器
‐ kHz開關頻率 (但是DC‐MHz都要考慮)
‐ 功率范圍mW‐W
‐ 主要使用渦流求解器，但非正弦激勵需要使用瞬態求解器
‐ 磁芯使用具有線性磁導率的鐵氧體
‐ 繞組需建立每根導線（細化線圈模型），以考慮集膚效應和鄰近效應
全面的變壓器設計解決方案
對于變壓器，Ansys提供電磁、多物理場和系統解決方案：
? 電磁性能 (損耗，力，阻抗等…)
? 多物理場 (磁熱耦合，電磁‐結構結構，振動噪聲)
? 系統級模型 (ECE 降階模型和隨頻率變化的ROM模型)
Ansys提供一個可以對所有主要物理現象進行模擬的仿真平臺
Ansys機電組件和系統解決方案
Ansys的主要優勢
Ansys在電力變壓器仿真方面的具體優勢
? 強大的靜態和瞬態求解器，可解決集膚效應、非線性飽和問題、損耗、多繞組的外部電路以及隨時間變化的磁場
? 強大的自適應網格劃分技術可生成適當、準確和有效的網格
? 高性能計算 (HPC) ，通過參數化和優化來解決數值（矩陣）較大的仿真問題
? 用于多繞組和瞬態分析的場路耦合仿真
? 磁‐熱、磁‐結構雙向耦合的多物理場耦合分析
案例分析
展開 領先技術，加速研發 | 《ANSYS低壓電器行業解決方案》現已開放領取
1 低壓電器設計中的技術挑戰
· 低壓電器概念
· 低壓電器所關注的問題
· 動作器設計挑戰
· 電磁式低壓電器關鍵技術問題
2 ANSYS低壓電器解決方案
· ANSYS機電組件和系統解決方案
· ANSYS集成化設計解決方案
· 基于ANSYS Workbench的多物理場仿真平臺
· ANSYS技術優勢
3 低壓電器電磁分析
· 集成化電磁設計環境
· 參數化建模
· 材料建模功能
· 功能強大的求解器
· 場路耦合控制系統
· 電磁力優化案例
4 低壓電器結構分析
· 啟動工況結構強度分析
· 最大行程工況結構強度分析
· 最大行程工況模態分析
· 塑殼斷路器
5 低壓電器多物理場耦合分析
· 電磁場-結構場耦合分析
· 電磁場-溫度場計算
· 低壓開關電弧仿真
· 動觸頭電弧仿真
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展開 ANSYS 電機設計專欄
ANSYS集成化電機設計流程主要包括：
1.電機快速設計和方案優選：采用電機磁路法設計工具RMxprt，快速實現電機的初始方案評估和優化設計，縮小電機的設計空間，并一鍵輸出電機二維或三維有限元模型以及電機的系統仿真模型備用；
2.電機電磁場有限元精確優化設計：采用Maxwell二維或三維電磁場有限元仿真，并結合內置外電路或Simplorer控制電路，對電機有限元模型進行仿真設計和細節優化，并輸出等效電路模型備用；
3.電驅動系統集成化設計：采用Simplorer進行電機及控制系統仿真，結合SCADE嵌入式控制代碼自動生成技術；結合Maxwell場路耦合、瞬態協同仿真技術；結合Q3D線纜、母排、IGBT寄生參數提取技術；對整個電驅動系統進行高精度仿真和性能優化；
4.電機電磁、熱耦合分析：采用Maxwell輸出電機的幾何模型和分布式損耗到Mechanical或FLUENT等工具中，進行電機溫度場仿真，實現電磁、熱單/雙向耦合分析，預測電機在各種工況下的溫升并優化散熱系統設計；
5.電機電磁、振動、噪聲耦合分析：采用Maxwell輸出電機的幾何模型到Mechanical，利用Workbench和ANSYS電機電磁、振動、噪聲自動化耦合仿真流程，便捷地分析電機在各種工況下的結構應力、形變以及振動噪音。
本網站提供ANSYS集成化電機設計解決方案的相關技術資料，包括：應用文檔、培訓資料、培訓視頻和常見問題解答。
展開 Simdroid功能 多物理場仿真APP軟件 衡祖仿真
Simdroid是“仿真平臺+仿真APP”模式的通用多物理場仿真軟件，擁有單一物理場及多物理場耦合仿真內核，覆蓋仿真全流程的建模仿真工具，無代碼化的仿真APP開發、編譯工具。下面我們一起來了解下Simdroid功能吧。
一、仿真開發環境
二、CAD建模功能
三、支持標準CAD格式文件的導入
四、完善的2D、3D全參數化建模功能
五、求解分析功能
1、流體力學模塊支持穩態單相流、瞬態單相流、瞬態多相流和凝固過程分析，具備多重坐標系旋轉流場模擬功能；
2、固體力學模塊支持通用靜力、模態和屈曲分析，支持接觸非線性、幾何非線性和材料非線性計算；
3、電動力學模塊支持靜電場、靜磁場、時諧磁場、瞬態磁場和場路耦合分析；
4、熱力學模塊包含傳導、對流兩種熱傳遞方式，支持穩態和瞬態場分析。
六、網格剖分功能
1、具備梁單元、三角形單元、四邊形單元、四面體單元以及任意多面體單元的剖分功能；
2、完善的網格控制功能，支持網格自適應和局部加密。
七、后處理功能
1、支持顯示動畫、切片等；
2、數據提取和統計功能；
3、具備云圖、矢量圖、等值線圖和流線圖等可視化功能；
4、支持繪制曲線圖、直方圖等；
5、具備報告輸出功能。
八、APP開發功能
1、采用圖形交互式開發環境，內置豐富的界面控件；
2、開發者通過簡單的鼠標拖拽即可便捷開發仿真APP。
九、本地APP
1、本地APP管理器具備仿真APP的管理和調用功能；
2、用戶可在其中查看仿真APP的詳細信息，添加、刪除和運行仿真APP。
展開 近期有低壓電器招聘高級電磁/結構仿真工程師？
四、崗位職責及任職資格：
崗位名稱：電磁仿真工程師
部門：電力電子研發部門 匯報對象：部門經理 年齡：28歲-45歲
崗位職責：
1）配合公司產品研發，負責相關仿真分析及優化工作
（注：以下領域至少掌握1項及以上）
電磁場分析：靜電磁場分析，諧波分析，瞬態分析，電路分析，場路耦合分析等。
電磁兼容分析：仿真分析EMC（電磁兼容性）/EMI（電磁干擾），SI/PI問題
2）根據公司研發需要，開展相關設計計算方法、實驗規范建設，基礎技術跟蹤、研究與應用工作。
任職/崗位要求：
1）碩士及以上學歷；
2）具備良好的電磁理論知識 ；
3）熟練掌握仿真分析軟件 ，如ansys，Ansoft，Maxwell等；
4）具有具體產品仿真相關經歷 ；
5）品格端正、愛崗敬業；
6）具有低壓電器產品設計計算工作經驗者優先。
崗位名稱:結構仿真工程師：
部門：電力電子研發部門 匯報對象：部門經理 年齡：28歲-45歲
崗位職責：
1）配合公司產品研發，負責相關仿真分析及優化工作;
（注：以下領域至少掌握兩項及以上）
結構分析：確定零部件在自重、工作載荷作用下應力、應變、位移分布等，非線性，振動分析，從而優化結構；
熱分析：熱荷載作用，溫度分布（流體）；磁流體電弧仿真
疲勞壽命分析：疲勞計算，如：各連接件、應力集中區等關鍵部位的抗疲勞優化設計，關鍵部件表面處理方式對壽命的影響，開口敏感性；
多體動力學分析：機械特性分析，速度、加速度、時間，運動軌跡等特性。
尺寸鏈分析：公差分析與綜合
2）根據公司研發需要，開展相關設計計算方法、實驗規范建設，基礎技術跟蹤、研究與應用工作。
展開 國內大型電器企業高薪誠聘電磁/結構仿真工程師
四、崗位指責及任職資格：
崗位名稱：電磁仿真工程師
部門：電力電子研發部門 匯報對象：部門經理 年齡：28歲-45歲
崗位職責：
1）配合公司產品研發，負責相關仿真分析及優化工作
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2）根據公司研發需要，開展相關設計計算方法、實驗規范建設，基礎技術跟蹤、研究與應用工作。
展開 
低頻電磁仿真 | 新能源汽車性能提升的利器
云道智造通用多物理場仿真PaaS平臺伏圖（Simdroid）具備自主可控的低頻電磁求解器，支持多物理場耦合仿真，在統一友好的環境中為仿真工作者提供前處理、求解分析和后處理工具。其內置APP開發器，支持用戶以無代碼化的方式便捷封裝參數化仿真模型及仿真流程。下面我們就來看下如何使用伏圖低頻電磁模塊對表面永磁同步電機 (SPMSM)進行仿真分析，并封裝為仿真APP
結語
通過低頻電磁仿真分析可以得出永磁同步電機的空載工況，包括反電動勢、磁鏈、磁感應強度分布、齒槽轉矩等參數，也可以得到負載工況關注的電磁轉矩和功率密度分布等重要參數，工程師可根據這些參數，優化電機設計。
隨著新能源汽車行業的快速發展，永磁同步電機的應用將越來越廣泛，對電機的性能也提出更高的要求。通過使用云道智造通用多物理場仿真PaaS平臺伏圖（Simdroid）進行低頻電磁仿真分析，可為永磁同步電機的設計優化提供科學的指導，進而提升電機性能，有助于電機廠家滿足日益增長的市場需求，獲得有力的市場競爭優勢。申請試用伏圖多物理場仿真平臺：https://www.simapps.com/v2/tool/simdroid
伏圖具有完備的低頻電磁求解功能。豐富的有限元單元類型，可以進行二維、三維和軸對稱電磁模型的高效求解；能夠處理線性和非線性、各向同性和各向異性的材料本構關系；支持各種常用的激勵、邊界條件和后處理計算功能。基本功能點如下：
?電場、電流場和磁場的靜態、瞬態和時諧分析，通電導體的運動和場路耦合分析等分析類型；
電荷、電流、電壓、電路和外加電磁場等激勵；
懸浮電位、周期邊界、開放邊界和滑動邊界等邊界條件；
電容、電導、電感、損耗、電磁力等后處理計算功能。
展開 基于Maxwell與Simplorer的電磁閥動態響應仿真
基于Maxwell與Simplorer的電磁閥動態響應仿真
Maxwell中的Simplorer軟件是電路和其他求解場的一個耦合場平臺，他可以耦合電磁場和電路，溫度場和電路，本次以電磁閥為例，本身的場路耦合可以在Maxwell里的circuit實現，采用Simplorer進行聯合仿真主要是考慮以下兩點：
（1）Maxwell的circuit中元器件類型不全，比如穩壓二極管；
（2）Simplorer中可以搭建電磁閥閥芯運動部分。
一、聯合仿真關鍵點
聯合仿真的關鍵點如下腦圖所示。
聯合仿真關鍵點
Maxwell部分
仿真部分必須包含motion，繞組的激勵必須設定為外電路，并且要設定運行與Simplorer耦合仿真。（Simplorer與twinbuilder是一樣的，新版叫twinbuilder）
2.耦合傳遞數據
Simplorer與Maxwell仿真是弱耦合的方式實現的，Maxwell向Simplorer傳遞的是電磁力，Simplorer向Maxwell傳遞的是位移。
3.Simplorer部分
質量塊為運動部件整體的質量，所有的力均作用在質量塊到out的連線上，力的方向根據組件標記的紅點確定。
4.其他注意點
需添加電磁閥質量塊限位，需添加初始力，彈簧需設定胡克系數。本部分在Maxwell內進行motion設定時也有相應設定，但是與Simplorer聯合仿真時失效。
二、聯合仿真步驟
對于大部分仿真者來說，以上的關鍵點就能夠指導進行聯合仿真了，為了鞏固知識點，我們把軟件的一些截圖貼出來供大家參考
1、繞組激勵設定
繞組激勵類型設定為外電路。
展開 Comsol開關柜溫度-濕度-流場耦合計算
因此研究開關柜溫度-濕度-流場特性顯得尤為重要。
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2. 物理模型
據實體 CAD 設計圖紙，選擇直接在Comsol自帶的建模軟件繪制開關柜三維模型，開關柜內部結構模型如圖 2所示。
模型中各部分結構材料均可在材料庫中直接添加使用。仿真計算還需設置材料密度、恒壓熱容、導熱系數和動力粘度等參數，為了計算結果的準確性，以上參數均從相關資料以現有實驗數據中獲得，如圖3所示。
圖2. 計算模型
圖3. 材料參數設置
3. 物理場邊界條件
溫度場和流體場仿真需要設置相應的邊界條件，其中溫度場需要設置濕空氣、流入邊界溫度、流出邊界、熱源、熱通量以及輻射散熱邊界，流場設置入口和出口邊界，溫度場和流場之間的耦合關系為非等溫流。詳細物理場邊界條件及場路耦合模型設置如圖4所示。
圖4. 物理場邊界條件
網格剖分質量是影響計算過程收斂性和計算結果準確性的關鍵因素，網格剖分質量越高，計算結果的準確性也越高，但過于精細的剖分單元對計算機的要求越苛刻，因此，在仿真計算中對流體邊界進行網格加密，其他部分在保持計算結果準確性的前提下，選擇適當的剖分精度。網格剖分分布如圖5所示。
圖5. 計算模型網格和質量分布圖
4. 結果展示
模型采用穩態分離式求解器進行求解，通過計算得到開關柜溫度、濕度、速度和壓力等結果分布如下所示。
圖6. 溫度分布
圖7. 濕度分布
圖8. 速度場分布
圖9. 流線分布
圖10.
展開 Comsol金屬氧化物避雷器（MOA）電-熱耦合計算
閥片局部老化后經過閥片柱的阻性電流和有功功率不斷增加，電場、熱場分布發生變化，絕緣劣化程度不斷加劇，整個避雷器溫度不斷上升，最終導致避雷器發生故障甚至爆炸事故。因此，掌握局部老化造成的氧化鋅避雷器電場、熱場分布，采取有效措施防止局部老化形成后場、熱擊穿，有一定的工程意義。
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2 物理模型
根據實體 CAD 設計圖紙，選擇直接在Comsol自帶的建模軟件繪制避雷器二維軸對稱模型，避雷器內部結構模型如圖 2所示。模型中各部分結構材料均可在材料庫中直接添加使用。在穩態直流作用下，ZnO電阻片電場除了受內部和交界面空間電荷分布影響外，主要取決于其電導率。仿真計算還需設置材料密度、相對介電常數、恒壓熱容以及導熱系數等參數，為了計算結果的準確性，以上參數均從相關資料以現有實驗數據中獲得，如圖3所示。
圖2. 計算模型
圖3. 材料參數設置
3 物理場邊界條件
電場和熱場仿真需要設置相應的邊界條件，其中電場需要設置高壓和接地邊界，熱場設置環境溫度和散熱邊界，電場和熱場之間的耦合關系為電磁熱。詳細物理場邊界條件及場路耦合模型設置如圖4所示。
圖4. 物理場邊界條件
網格剖分質量是影響計算過程收斂性和計算結果準確性的關鍵因素，網格剖分質量越高，計算結果的準確性也越高，但過于精細的剖分單元對計算機的要求越苛刻，因此，在仿真計算中僅對閥片柱進行網格加密，其他零件在保持計算結果準確性的前提下，選擇適當的剖分精度。網格剖分分布如圖5所示。
圖5. 計算模型網格和質量分布圖
4 結果展示
模型采用穩態分離式求解器進行求解，通過計算得到金屬氧化物避雷器的電勢、電場和溫度場等結果分布如下所示。
圖6.
展開 