ansoft maxwell 入门及相关基础操作.ppt

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1、Ansoft Maxwell 软件介绍软件介绍1 Ansoft Maxwell 功能介绍2 Ansoft Maxwell 模型建立3 Ansoft Maxwell 材料管理4 Ansoft Maxwell 边界条件7 Ansoft Maxwell 网格剖分设置9 Ansoft Maxwell 后处理8 Ansoft Maxwell 求解设置5 Ansoft Maxwell 激励源设置6 Ansoft Maxwell 求解参数设置 1 功能介绍功能介绍 Ansoft公司的Maxwell 2D/3D是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维/三维电磁场有限元分析软件。它包括电场、静磁场、涡流场、瞬态

2、场和温度场分析模块，可以用来分析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性。它所包含的自上而下执行的用户界面、领先的自适应网格剖分技术及用户定义材料库等特点，使得它在易用性上遥遥领先。它具有高性能矩阵求解器和多CUP处理能力，提供了最快的求解速度。求解器选择求解器选择 1 功能介绍（续）功能介绍（续）1 功能介绍（续）功能介绍（续）静磁场求解器（Magnetostatic）用于分析由恒定电流、永磁体及外部激磁引起的磁场，是用于激励器、传感器、电机及永磁体等。该模块可自动计算磁场力、转矩、电感和储能。瞬态磁场求解器（Transient）用于求解某

3、些涉及到运动和任意波形的电压、电流源激励的设备，可获得精确的预测性能特性。该模块能同时求解磁场、电路及运动等强耦合的方程，从而得到电机的相关运行性能 1 功能介绍（续）功能介绍（续）涡流场求解器（Eddy Current）用于分析受涡流、集肤效应、邻近效应影响的系统。它求解的频率范围可以从到数百兆赫兹，能够自动计算损耗、铁损、力、转矩、电感与储能。参数分析器（Parametric Analysis）允许用户设置多项可变设计量，如位置、形状、源及频率等。可自动计算数千种情况的物理问题分析，而整个过程不许用户干预。1 功能介绍功能介绍界面环境界面环境1 功能介绍功能介绍界面环境界面环境1 功能介绍

4、功能介绍界面环境界面环境2 模型建立模型建立（modeling）在绘制曲线模型时，系统默认的是将封闭后的曲线自动生成面，如果用户不想让其自动生成面，可以在绘制曲线模型前，点击菜单栏中的Tools/Options/Modeler Options 项更改绘图设置。2 模型建立模型建立（modeling）2 模型建立模型建立（modeling）2 模型建立模型建立（modeling）2 模型建立模型建立（modeling）2 模型建立（结束）模型建立（结束）模型编辑菜单模型检查3 材料管理（材料管理（material）材料库的管理更加方便和直观，新版软件的材料库主要由两类组成，一是系统自带材料库的2

5、D 和3D 有限元计算常用材料库，除此外还有RMxprt 电机设计模块用的电机材料库。二是用户材料库，可以将常用的且系统材料库中没有的材料单独输出成用户材料库，库名称可自行命名，在使用前须将用户材料库装载进软件中。3 材料管理（材料管理（material）在添加自己的材料库之前需要对材料库的路径进行设置（注意：ansoft不识别中文路径）3 材料管理（材料管理（material）材料编辑选项第一个View/Edit Materials 按钮是查看或编辑已有材料按钮，点击该按钮可以查看已存在的材料属性并且可以对其进行编辑操作；第二个Add Material 按钮是添加心材料按钮，点击该按钮可以向

6、材料库中添加新材料；第三个Clone Material(s)按钮是复制材料库中已有材料按钮，可将已存在的材料作为蓝本，通过复制生成新材料，并对新材料的局部属性进行修改，这种操作节省了定义相似材料时所花费的时间；第四个Remove Material(s)按钮是将选中的材料从材料库中删除；第五个Expert to Library 按钮是将选中的材料导入到用户个人材料库中，方便用户管理其常用的材料库。3 材料管理（材料管理（material）3 材料管理材料管理（material）第一栏：Relative Permeability 是相对磁导率项，默认的是Simple 即各向同性且导磁性能为线性，其

7、默认数值为1。第一项为Simple 即各向同性其线性；第二项为Anisotropic 各向异性，当选择完该项后，会在Relative Permeability 项下出现T(1，1)，T(2，2)和T(3，3)这三个参数描述的是材料的三个轴向；第三个选项是Nonlinear 非线性选项，选择该选项后即可设置材料导磁性能的非线性，即常用的BH 曲线。3 材料管理材料管理（material）相对磁导率栏后是Bulk Conductivity 电导率栏，默认的电导率单位是S/m，对于新加入的材料该项数值为2000000。Composition 项是设置材料构成，默认的是Solid 即是由实心材料组成，

8、鼠标左键单击Solid 字符可以看到在弹出的下拉菜单中还有一个选项是Lamination 项，该选项所表示的是叠片形式，例如变压器铁心，正是由一片片的硅钢片叠压而成，因为需要添加的新材料是各向异性的硅钢片，所以在材料构成上需要选择Lamination 项。在选择了叠片形式项后，会在Composition 项下新出现两个设置项，第一个是Stacking Factor 叠压系数项，可将其设置为0.97，第二个是Stacking Direction 叠压方向，在此认为Z 轴为叠压方向，所以将其选择为V(3)。整个设置完毕后如下图所示。3 材料管理材料管理（material）3 材料管理材料管理（ma

9、terial）永磁材料的添加3 材料管理材料管理（material）3 材料管理材料管理（material）3 材料管理材料管理（material）3 材料管理材料管理（material）充磁方向充磁方向4 边界条件边界条件（Boundary）按照不同的求解场，会有不同的边界条件和激励源。针对电机分析而言，主要的边界条件有：1 Vector Potential Boundary 狄里克莱边界条件矢量磁位边界条件主要施加在求解域或计算模型的边线上，可以定义该边线的上所有点都满足以下两公式：前者适用于XY 坐标系,而后者适用于RZ 坐标系。Const 为给定常数，AZ 和 A 分别为XY 坐标系下

10、Z 方向上的矢量磁位和RZ 坐标系下 方向矢量磁位。4 边界条件边界条件（Boundary）将选择模式切换到edge，点击菜单栏中的Maxwell2D/Boundaries/Assign/Vector Potential Boundary（或者在工作窗口右键）当Const 常数等于0 时，描述的是磁力线平行于所给定的边界线，这在仿真理想磁绝缘情况时特别有用。4 边界条件边界条件（Boundary）2 Symmetry Boundary 对称边界条件如果计算的模型具有对称性，则可以通过使用对称边界条件来达到缩小计算模型区域的目的。在对称边界条件中又分为奇对称边界条件和偶对称边界条件。点 击 菜

11、单 栏 中 的 Maxwell2D/Boundaries/Assign/Symmetry Boundary，会出现下图所示的对称边界条件定义对话框。4 边界条件边界条件（Boundary）在选中奇边界条件(Odd)时，表示磁力线平行于边界条件，磁场的法向分量为0 仅有切向分量；偶边界条件(Even)，描述的真好相反，其表示磁力线垂直与边界条件，磁场的切向分量为0 仅有法向分量。通过使用对称边界条件，至少可以将计算区域缩小一半。3 Balloon Boundary 气球边界条件Maxwell 将无穷远边界条件称之为气球边界条件，这样在绘制求解域范围时就可以不必将求解域绘制的过于庞大，从而减小可内

12、存和CPU 等计算资源的开销。4 边界条件边界条件（Boundary）当所计算的模型过于磁饱和或专门要考察模型漏磁性能时多采用气球边界条件。点击菜单栏中的Maxwell2D/Boundaries/Assign/Balloon Boundary 项，弹出下图所示的窗口，这里无需用户定义气球边界的参数，仅定义其边界名称即可。4 边界条件边界条件（Boundary）4 Master/Slave Boundary 主从边界条件主从边界条件是由两类边界条件配合而成，即主边界条件和从边界条件。在使用时要先将模型的一条边定义为主边界，然后再设定另外一条边为从边界。该边界条件的引入可以将类似于旋转电机之类的几

13、何模型简化，仅计算其中的一个极或一对极，从而减少所计算的数据量。选中模型所要施加主边界的线段，点击maxwell2D/Boundaries/Assign/Master Boundary选项，接着弹出如下图所示的主边界定义窗口。4 边界条件边界条件（Boundary）4 边界条件边界条件（Boundary）4 边界条件边界条件（Boundary）Master 项用来定义该从边界究竟与哪个主边界构成周期边界条件，Relation 项包含两个选项，分别是Bs=Bm 项，即从边界条件与主边界条件对称；Bs=-Bm 项，即从边界条件反对称于主边界条件。对于电机分析，一般来说，当分析一个极时，是Bs=-B

14、m，当分析一对极时，是Bs=Bm 5 激励源设置（激励源设置（Excitations）所有的计算模型都必须保证有激励源，即所计算的系统其能量不能为0，不同的场其激励源形式或机理均不相同。有时甚至可以通过实际工程的激励源形式来判断究竟改用哪个模块来进行建模计算。下面按照电机分析常用的静态场和瞬态场来进行介绍。A 静磁场求解器激励源静磁场求解器激励源在静磁场中，激励源主要分为两种：一种为电流源，另一种为电密源。5 激励源设置（激励源设置（Excitations）进行激励源设置时，只需要选中要施加激励源的物体，然后 点 击 菜 单 栏 上 的 Maxwell2D/Excitation/Assign/

15、Current Excitation 项，这样就会自动弹出电流源激励给定窗口。5 激励源设置（激励源设置（Excitations）其中Name 选项可以设定所加激励源的名称。Value 项可以设定激励源的电流值，需要说明的是对于多匝线圈，该值应该是给总的安匝数，而不是一匝线圈的电流值。即value=电流*匝数5 激励源设置（激励源设置（Excitations）添加电密激励与电流激励的方向相类似，选中所要添加激励的物体，点击菜单栏上的Maxwell 2D/Excitation/Assign/Current Density Excitation 项，这样会弹出电密源激励给定窗口。通过定义电密数值的

16、正、负来更改电密的方向。电流激励和物体面积无关电流激励和物体面积无关电密激励和物体面积有关电密激励和物体面积有关5 激励源设置（激励源设置（Excitations）B 瞬态磁场求解器激励源瞬态磁场求解器激励源在静磁场和涡流场中，仅可以使用电流源或电密源，电压源是不能使用在这两个求解器中的。相比较而言，瞬态磁场的激励源比较丰富，有电流源、电流密度源，还可以将导条形成线圈，该线圈是指广义的线圈，不仅仅是由漆包线绕制而成。在形成线圈后还可以对线圈施加电流源、电压源和复杂控制的外电路源。5 激励源设置（激励源设置（Excitations）单个电流源和电流密度源的给定静态场中的激励源给定类似，在此不做过

17、多说明，下面重点说一下绕组的形成和绕组激励的给定。绕组的形成主要分为两个步骤：一、线圈的形成；二、绕组的形成。线圈形成：选中左侧的线圈截面，点击菜单栏上的Maxwell 2D/Excitation/Assign/Coil 选项，会弹出下图所示的线圈端口定义窗口。5 激励源设置（激励源设置（Excitations）5 激励源设置（激励源设置（Excitations）在 线 圈 端 口 定 义 界 面 里，包 括 端 口 名 称，Number of Conductors 线圈匝数。若是双层绕组，这个匝数是每槽导体数的一半，若是单层绕组，则为每槽导体数。当每次选中多个截面一起定义时，不需要乘以截面个

18、数。线圈方向的定义如右图所示。Function 函数项是用户自己设定函数可以让线圈电流的参考方向随因变量更改而更改，达到一种认为控制换向的目的。绕组形成：点击菜单栏中的Maxwell2D/Excitation/Assign/Add Winding 项，弹出绕组定义窗口。5 激励源设置（激励源设置（Excitations）Current（电流）（电流）Vlotage（电压）（电压）External（电压）5 激励源设置（激励源设置（Excitations）实心导体，可考虑涡流效应多股绞线，不考虑涡流效应，电机分析常采用绕组并联支路数5 激励源设置（激励源设置（Excitations）绕组的电压和

19、电流激励源还可以设定为时间的函数，也可以设置为转子位置的函数。例如：Ua=220*1.414*sin(2*pi*50*time)其中pi和time都是系统自带变量，不需要自己定义。若需要为位置的函数，那么变量为position。电压源设置：绕组电阻初始电流绕组端部漏感相电压表达式5 激励源设置（激励源设置（Excitations）外电路激励源5 激励源设置（激励源设置（Excitations）模型电感不需要模型电感不需要人为设置，但电人为设置，但电感名称必须和感名称必须和maxwell里面的里面的绕组名称一致绕组名称一致端部漏感，端部漏感，需要自己需要自己定义大小定义大小绕组电阻绕组电阻注意：

20、在外电注意：在外电路中必须包含路中必须包含电阻，否则电阻，否则maxwell报错报错5 激励源设置（激励源设置（Excitations）将线圈划归于某一相绕组退出后，在屏幕右上方的工程管理栏中可以看到，绕组Winding1 前多了一个“”号，点击该“+”号会在Winding1 下方出现以前定义线圈端口。这说明了线圈端口是从属于绕组的，至此完成了整个绕组的定义。6 求解参数设置求解参数设置（Parameters）求解参数的设置不是仿真所必须的。主要包括力（Force），转矩（Torque）和电感矩阵（Matrix）的求取。先选择物体，之后选择此项。先选择物体，之后选择此项。必须在赋完激励源之后才

21、能使用7 网格剖分设置（网格剖分设置（Mesh operations）网格剖分是有限元离散化的最为关键一步，良好的网格剖分可以使得用户在最小的计算资源下拥有最为准确的计算结果。自带的自适应剖分非常不错，但其循环加密网格却需要很多时间，可以事先手动设置网格剖分，然后再继续少量的自适应加密步骤达到快速划分网格的目的。7 网格剖分设置（网格剖分设置（Mesh operations）系统自带的网格剖分设置，共有三个大项，分别是：On Selection物体边界内指定剖分规则Inside Selection 物体内部指定剖分规则Surface Approximation对物体表层指定7 网格剖分设置（网

22、格剖分设置（Mesh operations）A On Selection：剖分设置中的Length Based Refinement 是基于单元边长的剖分设置，其含义为在所选的物体边界上，最大的剖分三角形边长要给予所指定的数值；剖分设置中的Skin Depth Based Refinement 是基于集肤效应透入深度剖分设置，由于需要考虑物体的集肤效应，所以需要在集肤效应层进行加密剖分，而集肤效应层之下的网格则可以相对较为稀疏。7 网格剖分设置（网格剖分设置（Mesh operations）B Inside Selection在设定内部单元最大边长时，若同时采用了限制所用剖分三角形个数项，在设

23、定了相对过小的单元时，则这个过小的单元个数会被自动放弃。7 网格剖分设置（网格剖分设置（Mesh operations）C Surface Approximation7 网格剖分设置（网格剖分设置（Mesh operations）Maximum Surface Deviation 圆内三角形最大弦长，因为圆环之类的边界最后都要划分成一个个三角形组成的区域，也就是说要有多条弦来近似成圆环，则Maximum Surface Deviation 值就是设定这个最大弦长的数值。Maximum Surface Normal Deviation 弦所对应的三角形内角的角度，将该值设定过小会造成边界上的三角

24、形形状狭长Maximum Aspect Ratio 为剖分三角形外接圆半径除以2 倍内接圆半径的比值，该比值可以设定三角形的基本形状。8 求解设置（求解设置（analysis setup）Ansoft V11每个工程只能定义一个求解设置，ansoft V12可以设置多个求解每个求解设置项都是相互独立的。不同的求解设置可以用来计算不同的工况，以此来尽可能的增加模型的重复使用率。在设置完激励源和边界条件，并划分网格后，就可以设置求解选项。针对不同的场求解器，都有各自的求解设置，但在这些设置中仍有很大一部分是相同的。8 求解设置（求解设置（analysis setup）A 静态场求解设置静态场求解设

25、置静磁场中绘制完计算模型，并且定义了激励源和网格剖分后，点击添加静磁场的求解设置项，接着就会自动弹出如图1-67 所示的定义窗口界面。自适应求解设置：最大迭代步自适应求解设置：最大迭代步数和收敛精度。求解结束条件数和收敛精度。求解结束条件首先判断收敛精度；其次才是首先判断收敛精度；其次才是最大迭代步数；在求解结果中最大迭代步数；在求解结果中可以看到收敛精度随步骤的变可以看到收敛精度随步骤的变化曲线化曲线8 求解设置（求解设置（analysis setup）自适应网格设置：Refinement Per Pass 项是每次自适应剖分所新加入的网格数占上一次总体网格的百分比。Minimum Numb

26、er of Passes 表示最小计算步数，即系统要求计算的最少迭代步数，默认是数值是2。Minimum Converged Passes 表示最小收敛步数，默认是1。这两个数据可以按照默认值设定而不需做修改。8 求解设置（求解设置（analysis setup）非线性残余误差，软件默认是0.0001；更改该项可以改变在非线性收敛计算中的精度。磁导率设置项：有两个设置项，默认的是Nonlinear B-H curve 项，即采用模型中设置好的BH 曲线。而下方的From Link 项则是将先前计算好的模型磁导率给定到将要计算的新模型。磁化设置：有两个子设置项，同样默认的是Nonlinear B

27、-H curve 项，即采用模型设置好的BH 曲线；Import mesh 项是将调用以前计算过的模型网格剖分调用过来，前提是前后的计算模型必须完全一致，网格才可以横向导入。8 求解设置（求解设置（analysis setup）该选项只有在添加了求解设置之后，再打开才能生效。用以实现高级功能8 求解设置（求解设置（analysis setup）Default 设置项比较简单，可以选择Save Default 按钮来保存已设置好的各项，并将此作为默认设置项以备日后使用。也可以点击Revert to Stranded Default 按钮恢复默认设置。8 求解设置（求解设置（analysis se

28、tup）B 瞬态场求解设置瞬态场求解设置在瞬态磁场中求解设置与静磁场差别较大，大部分设置都是该场所特有的。General 设置项，该项与静磁场求解设置项类似，不过多了Stop time 停止时刻设置和Time step 计算时间步长设置，通过该选项定义，可以设定仿真的终止时间和时间间隔。8 求解设置（求解设置（analysis setup）8 求解设置（求解设置（analysis setup）导入已经剖分好的网格。由于瞬态场没有自适应剖分能力，要么人为的操作，要么导入静态网格。9 后处理（后处理（results and field overlays）Maxwell 的后处理包括对场图的处理，对曲线、曲面路径的处理和场计算器应用三个部分。9 后处理（后处理（results and field overlays）9 后处理（后处理（results and field overlays）9 后处理（后处理（results and field overlays）9 后处理（后处理（results and field overlays）9 径向和法向磁密的求取径向和法向磁密的求取