電磁模塊的案例
計(jì)算電磁學(xué)模擬：使用哪個(gè)模塊？
很多人經(jīng)常會(huì)有這樣的疑問：“我應(yīng)該使用哪種 COMSOL 產(chǎn)品來模擬特定的電磁設(shè)備或應(yīng)用？”除了 COMSOL Multiphysics? 軟件基本模塊的功能之外， COMSOL 產(chǎn)品樹的“電磁模塊”分支中目前還有 6 個(gè)模塊。另外 6 個(gè)模塊分布在其余產(chǎn)品分支中。這些模塊代表了麥克斯韋方程組與其他物理場耦合的各種形式。本篇博文，我們來看一看它們都有什么功能。
注意：此博客最初發(fā)布于 2013 年 9 月 10 日。此后更新了一些信息和示例。
計(jì)算電磁學(xué)：麥克斯韋方程組
麥克斯韋（Maxwell）方程組與電荷密度 、電場 、電位移場 、電流 、磁場強(qiáng)度 ，以及磁通密度 有關(guān)：
為了求解這些方程，我們需要一組邊界條件，以及材料本構(gòu)關(guān)系。本構(gòu)關(guān)系將 和 場、和 場和 場、 和 場相關(guān)聯(lián)。在不同的假設(shè)下，這些方程已在 COMSOL 產(chǎn)品庫的不同模塊中被求解，并與其他物理場耦合。
注意：為了傳達(dá)關(guān)鍵理念，此處介紹的大多數(shù)方程均以縮寫形式顯示。要查看所有控制方程的完整形式，并查看所有可用的本構(gòu)關(guān)系，請查閱產(chǎn)品文檔。
下面，讓我們從一些概念開始介紹……
…
穩(wěn)態(tài)、時(shí)域還是頻域？
在求解麥克斯韋方程組時(shí)，為了減輕計(jì)算負(fù)擔(dān)，我們試圖做出盡可能合理和正確的假設(shè)。盡管麥克斯韋方程組可以求解任意隨時(shí)間變化的輸入，但我們通常可以合理地假設(shè)輸入和計(jì)算的解都是穩(wěn)態(tài)或正弦時(shí)變的情況。前者通常也被稱為 DC（直流）情況，而后者通常被稱為 AC（交流）或頻域情況。
如果這些場在任何時(shí)間都沒有變化，或者變化很小以至于不重要，則穩(wěn)態(tài)（DC）假設(shè)成立。也就是說，我們可以說麥克斯韋方程組中的時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)為零。例如，如果您的設(shè)備連接了電池（可能需要數(shù)小時(shí)或更長時(shí)間才能耗盡電量），那么這樣做是非常合理的假設(shè)。
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展開 
軸向磁通永磁同步電機(jī)仿真分析
圖6 對標(biāo)軟件網(wǎng)格
圖7 INTESIM網(wǎng)格
04
仿真結(jié)果
旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫
電磁轉(zhuǎn)矩對比
圖8 電磁轉(zhuǎn)矩對比
INTESIM與對標(biāo)軟件電磁轉(zhuǎn)矩曲線基本吻合。
磁密云圖分布
圖9 0.0016s時(shí)刻INTESIM磁密云圖
圖10 0.0016s時(shí)刻INTESIM磁密矢量圖
07
總結(jié)
本案例使用INTESIM低頻電磁場模塊，基于永磁體充磁、線圈加載以及三維運(yùn)動(dòng)控制及動(dòng)網(wǎng)格等軸向磁通永磁同步電機(jī)仿真所需功能，實(shí)現(xiàn)了軸向磁通永磁同步電機(jī)動(dòng)態(tài)特性精確求解。仿真計(jì)算轉(zhuǎn)矩曲線結(jié)果和對標(biāo)軟件基本吻合，并能夠輸出磁密云圖、磁密矢量圖、動(dòng)畫等電磁場景常用結(jié)果。本次案例驗(yàn)證了INTESIM低頻電磁模塊軸向磁通永磁同步電機(jī)仿真場景的仿真能力，能夠?yàn)閺V大用戶提供準(zhǔn)確可靠的電磁仿真結(jié)果。
END
文章來源： 英特仿真INTESIM
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面向工程設(shè)計(jì)的模塊基本已經(jīng)漢化完成
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Linux下載鏈接
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電磁模塊Ansys.Electronics.2021.R1：
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展開 Motor-CAD— 新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)快速設(shè)計(jì)與優(yōu)化工具
主要功能模塊及特點(diǎn)
軟件共有電磁（EMag）、熱（Therm）、機(jī)械（Mech)、優(yōu)化（Opt）和虛擬實(shí)驗(yàn)室（Lab）五個(gè)模塊，結(jié)合專業(yè)的前后處理功能及高效算法，可實(shí)現(xiàn)磁熱雙向耦合等分析優(yōu)化。涵蓋電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、循環(huán)工況效率與損耗優(yōu)化等工程問題的解決方案，是傳統(tǒng)CAE仿真求解器數(shù)倍以上效率，更適合設(shè)計(jì)工程師。
基于AVL EXCITE M與Simulink控制耦合的電機(jī)諧波注入NVH分析
文件基礎(chǔ)型（File-Based Model）：依托電磁分析獲取的電機(jī)物理 MAP 數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，能夠納入電機(jī)控制策略對動(dòng)力學(xué)特性的影響，適用于需結(jié)合電磁 - 動(dòng)力學(xué)耦合分析的場景；
3. MAP 基礎(chǔ)型（MAP-Based Model）：核心用途是將預(yù)計(jì)算得到的電機(jī)載荷 MAP 數(shù)據(jù)映射至動(dòng)力學(xué)模型，可精準(zhǔn)表征電機(jī)在瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)工況下的 NVH 性能，滿足振動(dòng)噪聲相關(guān)分析需求。
針對 File-Based Model 電機(jī)類型，軟件已集成內(nèi)置常規(guī)電機(jī)控制模型，該模型涵蓋轉(zhuǎn)速控制模塊、電流控制模塊、電池單元及逆變器單元，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩的精準(zhǔn)控制，同時(shí)能夠納入電機(jī)逆變器開關(guān)頻率的影響因素。
圖3電機(jī)控制模型 圖4 EXCITE M考慮PWM頻率響應(yīng)
為納入外部電流控制策略的影響因素，EXCITE M 軟件支持 Matlab 模塊的集成應(yīng)用，用戶可基于真實(shí) Simulink 控制策略于EXCITE M完成電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。
圖5 電機(jī)控制模塊
案例介紹
本文基于簡單案例，演示如何通過外部電流控制策略，開展諧波注入對電驅(qū)系統(tǒng) NVH 特性影響的量化分析。
圖6 電機(jī)三維動(dòng)力學(xué)模型與拓?fù)淠Ｐ? 上圖為單電機(jī) EXCITE M 三維動(dòng)力學(xué)模型與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，電機(jī)的電磁 MAP 通過 EXCITE M 內(nèi)置的 EMT 電磁模塊計(jì)算生成，該 MAP 包含電機(jī)在不同 Id/Iq 電流組合、不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角下的磁鏈參數(shù)與定轉(zhuǎn)子電磁受力關(guān)鍵信息。
展開 簡述幾種常用數(shù)值方法的優(yōu)勢及適用性
其中隱式結(jié)構(gòu)、顯式動(dòng)力學(xué)、熱、低頻電磁、高頻電磁等模塊采用有限元法，流體、電子散熱模塊采用有限體積法，多體動(dòng)力學(xué)模塊采用絕對坐標(biāo)法。下一步，將在高頻電磁模塊引入邊界元法和時(shí)域有限差分。此外，采用有限元法和邊界元法的聲學(xué)模塊、采用有限元法的電化學(xué)模塊以及采用物質(zhì)點(diǎn)法的物質(zhì)點(diǎn)3D模塊都在開發(fā)中。
參考資料：
《微分方程數(shù)值求解——有限差分法》https://zhuanlan.zhihu.com/p/411798670
《有限元（FEM) 、有限差分(FDM)和有限體積（FVM) 的優(yōu)勢和劣勢》https://blog.csdn.net/weixin_42437828/article/details/80785602
《數(shù)值計(jì)算的六大方法》https://zhuanlan.zhihu.com/p/435342013
《一篇文章入門“求解器”開發(fā)(全篇)》https://www.yqgqt.org.cn/post/1908094
展開 OOFELIE典型案例
產(chǎn)品模塊
MEMS 微機(jī)電模塊
Vibroacoustic 振動(dòng)聲學(xué)模塊
Electromagnetic 電磁模塊
Thermal Mechanics 熱力學(xué)模塊
Advanced Optics 高級光學(xué)模塊
原文鏈接
OOFELIE軟件在MEMS行業(yè)中的應(yīng)用
聯(lián)系我們
Simdroid電磁分析
Simdroid Emag是Simdroid的電磁模塊，具有完備的低頻電磁求解功能，支持幾何尺寸、網(wǎng)格尺寸、材料屬性、激勵(lì)等的全參數(shù)化建模，支持各種形式的電磁場分析。
Simdroid電磁分析類型
電磁分析可以求解二維/三維模型的電場以及磁場。
?靜磁場分析：用于計(jì)算由直流電流或永磁體所引起的空間磁場分布，可以計(jì)算磁矢勢A、磁場強(qiáng)度H、磁感應(yīng)強(qiáng)度B等場量，以及電磁力F等相關(guān)物理量，一般用于磁路校核、直流電阻、直流電感計(jì)算等應(yīng)用場合。
? 時(shí)諧磁場分析：用于計(jì)算正弦/余弦電壓、電流激勵(lì)所引起的空間磁場分布，可以計(jì)算磁矢勢A、磁場強(qiáng)度H、磁感應(yīng)強(qiáng)度B等場量，以及渦流損耗等相關(guān)物理量，一般用于趨膚效應(yīng)/鄰近效應(yīng)分析、損耗計(jì)算、交流電阻、交流電感計(jì)算等應(yīng)用場合。
? 瞬態(tài)磁場（場-路耦合）分析：用于計(jì)算由時(shí)變電流/電壓、永磁體所引起的空間磁場分布，可以計(jì)算磁矢勢A、磁場強(qiáng)度H、磁感應(yīng)強(qiáng)度B等場量，以及轉(zhuǎn)矩等相關(guān)物理量，一般用于旋轉(zhuǎn)/直線電機(jī)性能分析、電磁作動(dòng)器電磁分析等應(yīng)用場合。
? 靜電場分析：用于計(jì)算由電荷密度或電勢所引起的空間電場分布，可以計(jì)算電勢V、電場強(qiáng)度E等場量，以及電磁力F等物理量，一般用于變壓器、絕緣子、電力金具等設(shè)備絕緣校核以及電容矩陣的計(jì)算。
? 直流傳導(dǎo)場分析：用于計(jì)算直流電流或直流電壓作用于導(dǎo)體上的穩(wěn)態(tài)電流場，可以計(jì)算電勢V、電場強(qiáng)度E等場量，以及電導(dǎo)G等物理量，一般用于電力設(shè)備直流絕緣特性分析等計(jì)算。
? 交流傳導(dǎo)場分析：用于計(jì)算正弦/余弦電壓、電流激勵(lì)作用于導(dǎo)體上的時(shí)諧電流場，可以計(jì)算電勢V、電場強(qiáng)度E等場量，以及電導(dǎo)G等物理量，一般用于分析正弦/余弦激勵(lì)下電力設(shè)備的絕緣特性等領(lǐng)域。
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Ansoft Maxwell穩(wěn)態(tài)磁場求解器仿真實(shí)例
由于最近項(xiàng)目進(jìn)展需要，開始學(xué)習(xí)電磁模塊有限元仿真。上期給大家分享了怎樣將Maxwell集成到ANSYS WB中，本期給大家分享下最近筆者學(xué)習(xí)做的一個(gè)小案例（Maxwell 高手繞行勿噴）。
問題描述：求解一段通有100A電流的銅導(dǎo)線在穩(wěn)定磁場中的受力情況。磁場由永磁體產(chǎn)生。磁性材料為材料庫中的NdFe35。磁性材料屬性如下定義（X方向磁化）。
模型圖如下。其中紅色框線為求解區(qū)域。
注：磁體外部磁感線設(shè)置方向是從+X面出發(fā)垂直穿過導(dǎo)線進(jìn)入-X面。即+X面是N極，-X面為S極。
Maxwell前處理
求解樹如下圖：
Boundaries邊界條件：這里邊界條件未指定，系統(tǒng)自動(dòng)選取默認(rèn)邊界條件加載到物體外邊界。
Excitations激勵(lì)：在導(dǎo)線兩個(gè)端面加載100A穩(wěn)定電流，兩端面電流大小方向均一致都流向+Y方向（注意斷開導(dǎo)體端面需與求解區(qū)域表面重合，否則無法計(jì)算）
Parameters參數(shù)：選中通電導(dǎo)線然后添加Force力參數(shù)。
Mesh operations網(wǎng)格劃分：右擊鼠標(biāo)選擇Assigned>Inside selection>Length based… 其中導(dǎo)線劃分尺寸為0.5mm，磁鐵劃分尺寸3mm。
Analysis分析設(shè)置：這里直接添加分析設(shè)置默認(rèn)即可。
結(jié)果查看：
鼠標(biāo)右擊Result選擇Solution data得到如下結(jié)果窗口。
安培力大小為Fz=0.57657N（+Z方向）
理論驗(yàn)證：
根據(jù)安培定律F=BIL可知通電導(dǎo)線受力大小為磁感應(yīng)強(qiáng)度B*電流*導(dǎo)體長度。受力方向可根據(jù)左手定則確定。
展開 OOFELIE Multiphysics 產(chǎn)品介紹
真實(shí)模型的仿真設(shè)計(jì)通常涉及結(jié)構(gòu)、熱傳、機(jī)械、聲學(xué)與振動(dòng)、壓電、熱阻、電流、流體、光學(xué)、微機(jī)電、電磁場等問題，這些物理場往往同時(shí)存在，相互影響。例如執(zhí)行器、傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)。集成了有限元、邊界元、快速多級子算法的 OOFELIE::Multiphysics 仿真平臺(tái)能夠快速收斂和精確計(jì)算超大型多物理場耦合問題。
OOFELIE::Multiphysics 軟件采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)求解器，統(tǒng)一軟件操作界面和模型樹的建模方式，把多物理仿真分析技術(shù)以非常友好、簡單、直觀的方式，呈現(xiàn)在工程師、設(shè)計(jì)師、分析師、科研人員都能從中受益，提高工業(yè)設(shè)計(jì)和科研工作的效率。
OOFELIE::Multiphysics 包括以下模塊：
MEMS模塊
振動(dòng)聲學(xué)模塊
電磁模塊
熱力學(xué)模塊
高級光學(xué)模塊
主要特點(diǎn)：
?多物理場仿真求解
可以完成復(fù)雜電磁、傳熱、結(jié)構(gòu)、流體、振動(dòng)、聲學(xué)、光學(xué)耦合仿真問題的高效計(jì)算。
?快速、精確計(jì)算
支持多種算法：有限元法（FEM）、邊界元法（BEM）、有限體積法（FVM）、快速多極子算法（FMM）；
支持FEM、BEM、FVM等算法直接耦合計(jì)算。
?強(qiáng)耦合仿真計(jì)算
提供耦合單元，在單元節(jié)點(diǎn)、邊、面上都有多重自由度，允許各個(gè)物理場的本構(gòu)方程在單元上耦合并同時(shí)求解。
標(biāo)準(zhǔn)化仿真設(shè)計(jì)流程：
OOFELIE::Multiphysics 集成到工業(yè)CAD/CAE用戶界面中，被廣泛應(yīng)用于航空和汽車行業(yè)。軟件以專業(yè)化的CAE設(shè)計(jì)為特色，直觀的五步設(shè)計(jì)流程，在每一個(gè)步驟中只顯示您所需要的功能。
展開 低頻電磁仿真 | 新能源汽車性能提升的利器
電機(jī)性能優(yōu)化 低頻電磁仿真
作為新能源汽車的動(dòng)力源，永磁同步電機(jī)的性能直接影響著汽車的續(xù)航里程及行駛狀況。通過低頻電磁仿真可以分析得出永磁同步電機(jī)的磁場分布、電磁力、轉(zhuǎn)矩、功率等性能指標(biāo)，從而優(yōu)化電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，如調(diào)整電機(jī)的磁環(huán)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子和定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、增加永磁體數(shù)量等，從而提升電機(jī)性能。不僅如此，仿真分析還可實(shí)現(xiàn)在電機(jī)打樣前多次調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，能夠有效降低電機(jī)廠家打樣成本，提高研發(fā)生產(chǎn)效率和樣機(jī)出廠質(zhì)量，逐漸成為電機(jī)設(shè)計(jì)制造過程中的重要環(huán)節(jié)。
云道智造通用多物理場仿真PaaS平臺(tái)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(tǒng)一友好的環(huán)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(nèi)置APP開發(fā)器，支持用戶以無代碼化的方式便捷封裝參數(shù)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(jī) (SPMSM)進(jìn)行仿真分析，并封裝為仿真APP
結(jié)語
通過低頻電磁仿真分析可以得出永磁同步電機(jī)的空載工況，包括反電動(dòng)勢、磁鏈、磁感應(yīng)強(qiáng)度分布、齒槽轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，也可以得到負(fù)載工況關(guān)注的電磁轉(zhuǎn)矩和功率密度分布等重要參數(shù)，工程師可根據(jù)這些參數(shù)，優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)。
隨著新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，永磁同步電機(jī)的應(yīng)用將越來越廣泛，對電機(jī)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(tái)伏圖（Simdroid）進(jìn)行低頻電磁仿真分析，可為永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供科學(xué)的指導(dǎo)，進(jìn)而提升電機(jī)性能，有助于電機(jī)廠家滿足日益增長的市場需求，獲得有力的市場競爭優(yōu)勢。申請?jiān)囉梅鼒D多物理場仿真平臺(tái)：https://www.simapps.com/v2/tool/simdroid
伏圖具有完備的低頻電磁求解功能。
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