引言
研讨会主题——2019 Maxwell最新功能在电机设计仿真中的应用
主讲老师——谭洪涛（ANSYS中国高级应用工程师，西莫ID：ANSYS，负责ANSYS机电产品的售前和售后、技术支持及市场推广）
主要内容
1、NVH计算流程改进
2、核心算法技术改进
3、HPC改进
4、多物理场分析改进
5、网格剖分算法改进
6、易用性改进
7、2019 R2新功能
下面开始进入研讨会正文。
今天我们介绍的软件是2019。这张图显示的是Ansys版本序号的一个变更，在最开始的时候我们版本都是Maxwell8.0、9.0、10.0，后来就变成了有两个编号：2016、2017、2018，其中2018还有一个序号叫R19。从2019这个版本以后，我们的版本编号就会和Ansy workbench的平台统一以年号为主，比如说我们今年发布了三个版本，2019R1、2019R2、2019R3。那以前由于版本编号给大家带来的一些混淆，今后不会出现这个问题了。
1 2019R1亮点——牵引电机NVH计算
1.1 多物理场流程
这张图显示的是震动噪声计算的最新的一个流程，能够完成从电机的电磁场分析，输出电磁力，谐响应分析，然后再到声场分析的这么一个完整的流程。实际上在这个版本之前，我们也有这个流程，以前流程的问题是，每次只能分析一个转速，算法也是比较有限，不能出这种声音和表明声功率的瀑布图。
上一个版本，我们做过一些脚本，通过脚本可以实现单转速的一些分析，基于这个模态叠加法的。那么在最新的版本里，我们把这些已有的技术都集成在软件里面去了。
最新的版本里面，我们可以对多个转速做一些参数化分析，每个转速里的激励可以不一样，然后把这个激励导入到谐场分析里面去，利用快速的模态叠加法做一些谐响应分析，得到一些表面声功率的瀑布图，然后把谐响应分析的结果导入到声场分析里面去，做一些噪声分析。
1.2 快速Multi-RPM振动噪声分析
上图就是我们最新版本的一个功能，他能够自动创建一些瀑布图。从电磁力耦合到谐响应分析的过程中，力的耦合方式有两种，一种是通过集中力，就是所谓的这个objectbased，还有一个是通过分布力，即把定子表面的一些力密度直接耦合到谐响应分析里面去。
这里给大家提醒一点的是，如果说希望通过基于分布电磁力的耦合方式的话，需要使用我们最新的版本2019R2，因为在R1的时候，这里面有个小bug，他的计算时间会比较长，R2的这个地方就已经改善过了。
1.3 NVH计算设置
下图显示了我们作NVH分析的几个关键步骤，第一个图是我们要在Maxwell建立一个模型，然后把电磁力的选项勾选中，可以是基于object也可以是基于element。如果定子槽数比较多的话，建议采用object，如果槽数比较少的话，可以采用element，比如要做新能源汽车驱动电机可以用object，如果做永磁直流有刷电机的话，你可以选用element。
第二张图是要把电机的转速设置为一个变量，第三张图是可以设置一个激励，这个激励可以跟转速是相关的，第四张图是要设置一个求解时间，一般情况下我们是分析一个电周期，第五张图可以忽略，不是必须的，第六张图是要把designXplorer这个地方要勾选一下，因为我们是通过这个地方在workbench里面和谐响应分析做一个接口的。
当Maxwell设置好了，可以通过拖拽的方式，把Maxwell的solution，也就是电磁力的结果，拽到谐响应分析的Setup上面。大家可以看到我们这个地方谐响应分析的激励会有这么多选项，每个选项对应着一个转速下面的电磁力的分布，把这个加号点开之后，能够看到每个频率下面的电磁力分布，那么右上的这张图显示的是每一个转速下面，它的频率分析范围和频率的节点数，也就是分析多少个频点。
1.4 转子分段斜极解决方案
我们现在的电机中，很多都是斜极的方案，那斜极的NVH分析有两种方式，一种是二维到三维的一个耦合，下图就是二维到三维的一个耦合。比如说电机分三段的话，那么我们一个谐响应分析前端实际上是可以做三个maxwell二维的分析，你只需要把maxwell初始那个位置稍微给他变一下，后来我们耦合到谐响应分析的时候，你会看到他们有三个激励。
1.5 定子轴向分段导入电磁力
同样在结构场分析的模型里面可以把定子对应的分成几段，每一段耦合一个maxwell的模型，这样一个结构场可以挂N个maxwell模型，他的相对位置会有点不一样，然后我们把这个激励导进来，通过这种方式去完成一个振动噪声的耦合分析。
要分析斜极的话，其实还有一种更直接的办法，就是在maxwell里面直接建一个三维的模型，然后谐响应分析里面也做一个三维模型。那么我们通过这种基于节点力的就是elementbased这种方式直接耦合过来去分析，效果也是差不多的。
1.6 定子偏心解决方案
这张图也是我们做的一个案例，有些电机会有一些偏心的情况，我们在maxwell里面可以设置一个偏心的模型，我们把偏心的这个模型导入到谐响应分析里面，能够明显的看到，maxwell模型偏心的时候，他的电磁力不仅仅出现在这个基波的两倍频，可能在其他的一些频点上面也会有一些分量，那么我们可以考虑这种因素对电机振动噪声的影响。
提到偏心的一个设置，就是我们右上角看到的这个东西，它是可以直接来帮助我们设置动偏心和静偏心这种模型的。
1.7 多物理场优化结果
前面讲到了现在我们可以在workbench这个平台下面完成电磁力的计算，也可以完成NVH的计算。那结合workbench本身的参数优化分析的功能，我们可以在这个平台下面很简单的就对电磁性能和NVH的性能做些参数化和优化的分析。
上图为例，它是设置了几何变量的一个参数，这个参数既可以驱动Maxwell模型，也可以驱动结构上的一个模型。也就是说当我们改变这个参数的时候，电磁性能会发生变化，NVH的性能也会发生变化。在这个参数列表里面可以看到，有一个输入参数，这里面输入的是气隙，当然也可以是一些其它的参数，输出可以是电磁性能，比如说转矩脉动，效率，也可以是NVH性能，就是瀑布图上的最大值等等一些值。
我们可以通过电磁和结构的一些高速分布式计算，快速安排多个方案，能得到电磁性能和NVH性能随输入参数变化的一些曲线，再配合一些优化算法的话，可以同时对他们进行优化，这个是Ansys集成化解决方案的一个优势。
2 核心算法改进
2.1 电磁设计流程改进
2.1.1 电机设计Toolkit
大家都知道maxwell有两个Toolkit，一个是老的最新的是那个16.2，还有一个是集成在软件界面里面的ACT。这两个都可以使用。一直以来我们都觉得这个16.2更好用一点，现在集成了ACT后也慢慢的加了很多很好的一些功能，它的效果不比以前那个差，甚至某些地方很可能会更好一点。
Toolkit这个版本它一个很大的改进是针对于感应电机这块。感应电机的计算特点是在转差率比较大的时候或者说电机比较饱和的时候，需要计算的周期时间特别的长，有可能达到十几个周期才能稳定。那我们采用一个算法：先通过一个涡流场算出一个结果，然后把这个结果作为瞬态场分析的一个初始值，这样一般的感应电机只要三到四个周期，它就能得到稳定。
通过这种计算的算法，我们以前可能算不出感应电机map图或者说算的时间很长的问题能够得到解决，我们现在能够很稳定的输出感应电机的map图。集成在ACT里面的toolkits，我们也在持续的改进，那后面在R2的时候我会介绍我们在R2的时候也做了很多的一些改进在里面。
2.1.2 电机前处理改进
接下来是前处理的一个改进。用过maxwell的可能知道，maxwell最简单的一个建模方式就是通过Rmxprt，然后输入一些参数，快速分析的时候得到一个有限元模型。这个模型的边界条件，激励都会设置好，而且模型可以是一个参数化的模型，非常方便。
在实际的过程中，往往会出现这么一个情况，就是我们的定转子模型，可能和Rmxprt模板里的模型不一样，这个时候要么是不能通过Rmxprt来建模，要么就是需要Rmxprt找一个近似的模型，做好了之后，把不一样的地方给删掉，再从CAD里面导入这个不一样的几何模型。
那在2019里面增加了一个功能，会更方便一点，在Rmxprt里面允许直接导入CAD的模型进来，可以是三维也可以是二维，导进来模型之后还是需要输入一些相关的参数。目前这个版本里面的导入模型是没有计算功能的，只有建模的功能，也就是说导入几何模型的时候，会生成一个有限元的模型，这个有限元模型的定转子的边界条件、激励这些还是会设置好。有一点缺陷是导进来的模型不是一个参数化的模型，不能设置变量。我们研发有反应在后续的一些版本中，我们会开发一些基于这个导入模型的计算功能。
2.1.3 AEDT后处理中集成了用户自定义输出集
这个地方是后处理的一个改进。在前几个版本里面，电机有一个脚本，后来叫做UDO和toolkits，我们可以基于他直接输出电机的输出功率，输入功率，效率，功率因数，LQ等等。但是我们需要把一个脚本放在一个地方，这样比较麻烦。这个版本里我们把这个脚本集成在软件里面，然后在这个输出的界面里面直接就给他多了一个按钮，当点一下这个按钮的时候，软件会提示你输入相关的一些参数，比如说这极数、损耗等等的，然后基于这些输入参数可以输出一些你所需要的曲线。
2.1.4 周期性计算模型的全模型场图输出
接下来这个是一个场图的显示，也是一个比较有意思的一部分。以前在输出这种场图的时候，如果计算的是一个周期性的模型，比如说计算的是六分之一模型，则显示的场图就是一个六分之一的一个场图，那现在多了一个选项，如果说计算的是6分之一模型，显示场图的时候，可以让它显示全模型的场图。
2.2 二维斜槽功能改进
接下来是一个比较重要的改进，就是关于二维斜槽功能的改进。二位斜槽功能支持两种斜槽的方式，一种是连续的斜槽，就是我们上面的这张图。还有一种是分段的斜极，那么这两种方式的软件设置稍微是有点不一样的。在以前的版本里面，斜槽的分段数是只支持偶数不支持奇数的，那现在的版本里这个地方也会改进，奇数偶数都会支持。
2.3 基于磁滞模型的退磁分析
接下来这个功能，少部分用户可能会用到。现在支持基于材料磁滞曲线的退磁分析模型。那基于这个功能，磁钢在同一个瞬态场分析里面，既支持充磁也支持退磁，就说可以同时充磁和退磁。应用的场景主要是一些，比如钕铁硼的一些记忆电机里面。
2.4 三维瞬态求解器支持多运动分析
这个是一个多运动体的分析，maxwell 2D一直是支持多运动体的，就是在maxwell2维里面可以一个design仿无数个band，但maxwell 3维是一直不支持的。现在这个版本里面maxwell 3维也是支持多个运动体的，那这两个例子分别是一个轴向的磁齿轮和一个径向的磁齿轮的分析。
2.5 考虑硅钢片加工因素的边缘铁耗劣化系数抽取
这个功能和电机的加工工艺有关系。电机的硅钢片在加工的过程中，由于冲压工艺的影响，硅钢片的边缘一圈的性能会发生变化，磁性能会下降，损耗会上升。这里面考虑的是这个工艺对铁损的影响。
如果说有数据，也就是说可以得到基于一些测试的一些曲线，比如说上面的这个样品，你可以切一刀、切三刀等，得到了一些BP曲线，然后把这些曲线输到软件里面去，软件会抽出一个等价劣化宽度进来；如果没有这个曲线的话，可以直接输一个等效劣化宽度进来，这个等效劣化宽度，同时考虑到硅钢片性能和硅钢片厚度的影响。
根据相关的一些资料，这个参数大约是在0.9到1.2之间。也就是说如果没有相关数据的话，可以直接输0.9到1.2之间的一个数，如果有数据的话，可以把数据输进去。
3 高性能计算改进
3.1 半周期TDM（二维和三维）
TDM是一个非常好用的高性能计算工具，特别是针对一些同步电机，比如永磁同步电机。我们除了有常规性的TDM以外，还有一些半周期和周期性的TDM。我建议大家在做永磁同步分析的时候，只要计算资源够的话，都可以把TDM这个选项给他勾上去。TDM有很多好处，不仅可以提高你的计算速度，在某些应用场景会有一些意想不到的效果。
对于永磁同步电机而言，比如说由于一些算法的影响，铁耗曲线基本上是需要计算两个周期左右才能稳定。而如果用TDM的话，因为它会强制第一个点和最后一个点的数据是一样的，那么这个铁耗曲线的第一个周期就会是稳定的。除此之外比如说以二维的ECE模型抽取而言，因为他的时间很长嘛，如果用TDM的话，他的时间大约会是常规求解的三分之一到四分之一的时间左右。在三维上面也是可以的，比如说想分析一个三维的反电势，那么如果用周期TDM的话，是50步，而用半周期的TDM只要分析25步就可以了。
对于我们现在常用的这种永磁同步电机三维分析而言，如果说现在分析反电势的时间超出15分钟或者超过了十分钟，那你可能要检查一下你的模型。有可能是剖分也有可能是你的HPC没有设置上去。这个测试过很多的模型，当剖分合适CUP的设置上去的话，正常情况下一个永磁同步电机的反电势分析，求解一个电周期的话，大约在五到十分钟左右。
3.2 使用TDM的三维瞬态Source-Target Link
这个是一个稍微特殊一点的应用，我们可以先用周期性的TDM做一个瞬态分析，然后把它分析的结果，当成一个初始条件来算另外一个瞬态场的工况。以感应电机为例，我们可以用周期性的TDM先模拟一个堵转工况，然后把这个堵转工况来作为一个激励源给瞬态场分析，加快稳定性。这个功能可以用来TDM的计算方面，设置也很简单，当你设置好了之后，他就能完成感应电机的一个快速map图的计算。
3.3 三维涡流场使用基于MPI的分域求解算法
这个功能和电机的关系不太大，电子变压器或者说是电力变压器的仿真人员可能会用到。这个功能是说，三维涡流场的分析是可以基于TDM的算法，就是说可以把一个大的求解器分解成小块，然后每一台电脑来计算一块内容，最后把它合起来。
4 多物理场分析改进
4.1 AEDT Icepak
如果在座有很早很早以前就开始用ansoft软件，会知道ansoft公司，以前有一个做结构和散热的产品叫ePhysics，他是和maxwell同一个界面的，很多数据都是共享的，如果结构分析和散热分析不复杂的话，可以很轻松的在一个界面里面去共享模型、共享剖分，完成一些多物理场分析。
Ansys收购ansoft后觉得ePhysics这个求解器太垃圾了，因为我们有更好的一些求解器，那这个产品就退休掉了。后面在做多物理场分析时，不管是简单模型还是复杂模型都需要两个软件来完成，两个软件的界面还是不一样的。
那我们发现这种方式可能不太好，因为有些模型确实比较简单，不需要搞这么复杂的流程，现在又走了一个回头路，我们又把结构分析和热分析的一些功能又把它放回到那个电子桌面界面平台里面去，那第一步我们放回来了就是icepak。
Icepak的求解器是fluent，所以说求解器是没有问题的。放在AEDT这个界面下面，我们共享了一个模型建模的界面，如果说热分析的模型不是太复杂，比如分析电子变压器，或者自然散热的电机的话，完全可以在AEDT这个界面里面，先通过maxwell算一下他的损耗，然后回到icepak里面算一些散热。我们下一步会把这个mechanical也放到这个AEDT里面去，将来电机NVH的分析流程会更加的方便。
4.2 AEDT环境下的Maxwell-Icepak双向耦合分析
我们在workbench下面支持了单向和双向耦合，那么把icepak放到AEDT这个界面下之后，在这个AEDT这个界面下他还是可以来实现的。
4.3 新的 FLUENT瞬态场与 Maxwell涡流场的耦合方针（系统连接方式）
除了振动噪声的耦合流程有改善以外，温升的分析流程也有一个改善。当点一下optimetrics下面会看到一个systemcoupling的选项，我们这个相当于通过命令行的方式来实现双向耦合，但这个命令行不需要你自己来编，我们会把它做到界面里面去，那这个主要的功能是用于一些感应加热。流体场的分析是一个瞬态场的，不同的时间点会把温度的数据传给maxwell，然后maxwell基于这个时间点的温升会重新计算损耗，然后把损耗在耦合给流体场，这样的话就是说我们可以做一个类似于双向耦合的一个瞬态的温度场分析。（未完待续）
联系客服
