Maxwell瞬态场仿真实例.docx

Maxwell瞬态场仿真实例MAXWELL 3D 12.0 BASIC EXERCISES 1. 静电场问题实例：平板电容器电容计算仿真 平板电容器模型描述： 上下两极板尺寸：25mm×25mm×2mm，材料：pec 介质尺寸：25mm×25mm×1mm，材料：mica 激励：电压源，上极板电压：5V，下极板电压：0V。 要求计算该电容器的电容值 1.建模 Project > Insert Maxwell 3D Design File>Save as>Planar Cap 选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Electric> Electrostatic 创建下极板六面体 Draw > Box 下极板起点：> 坐标偏置：> 坐标偏置：> 将六面体重命名为DownPlate Assign Material > pec 创建上极板六面体 Draw > Box 上极板起点：> 坐标偏置：> 坐标偏置：> 将六面体重命名为UpPlate Assign Material > pec 创建中间的介质六面体 Draw > Box 介质板起点：> 坐标偏置：> 坐标偏置：> 将六面体重命名为medium Assign Material > mica 创建计算区域 Padding Percentage：0% 忽略电场的边缘效应 电容器中电场分布的边缘效应 2.设置激励 选中上极板UpPlate, Maxwell 3D> Excitations > Assign >Voltage > 5V 选中下极板DownPlate, Maxwell 3D> Excitations > Assign >Voltage > 0V 3.设置计算参数 Maxwell 3D > Parameters > Assign > Matrix > Voltage1, Voltage2 4.设置自适应计算参数 Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup 最大迭代次数： Maximum number of passes > 10 误差要求： Percent Error > 1% 每次迭代加密剖分单元比例： Refinement per Pass > 50% 5. Check & Run 6. 查看结果 Maxwell 3D > Reselts > Solution data > Matrix 电容值：31.543pF 2. 恒定电场问题实例：导体中的电流仿真 恒定电场： 导体中，以恒定速度运动的电荷产生的电场称为恒定电场，或恒定电流场 恒定电场的源： Voltage Excitation，导体不同面上的电压 Current Excitations，施加在导体表面的电流 Sink，一种吸收电流的设置，确保每个导体流入的电流等于流出的电流。只有在不使用Voltage Excitation时，才用Sink。保证Ñ×J=0 DC conduction求解器： 不计算导体外的电场，计算时，不考虑材料的介电常数参数。 例：绘出如下图所示导体结构中的电流流向图 1.建模 Project > Insert Maxwell 3D Design File>Save as>Planar Cap 选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Electric> DC Conduction 创建导体Conductor Draw > Box 起点：> 坐标偏置：> 将六面体重命名为Conductor Assign Material > Copper 创建另3个并列的导体 Select Conductor Edit > Duplicate > Along Line 输入line矢量的第1个点： 输入line矢量的第2个点： 输入复制总数：4 创建导体Conductor_4 Draw > Box 起点：> 坐标偏置：> 将六面体重命名为Conductor_4 Assign Material > Copper 创建导体Conductor_5 Draw > Box 起点：> 坐标偏置：> 将六面体重命名为Conductor_5 Assign Material > Copper 创建导体Conductor_6 Select Conductor_5 Edit > Duplicate > Mirror 输入对称镜像平面法向量在平面中的第1点坐标： 输入对称镜像平面法向量在平面外的第2点坐标： 上述设置表示镜像平面为XOZ平面 将六面体重命名为Conductor_6 创建导体Conductor_7 Draw > Box 起点：> 坐标偏置：> 将六面体重命名为Conductor_sink Assign Material > Copper 创建计算区域 Padding Percentage：10% 2.设置激励 按f，将体选择改为面选择 2.1 设置电流注入源 选中如下图所示6个面 Maxwell 3D> Excitations > Assign >Current > 1A Maxwell 在上述6个面上产生6个输入电流激励源 2.2设置电流汇 选中Current_sink导体的下列2侧面 Maxwell 3D> Excitations > Assign > Sink 3.设置剖分操作 选中所有物体，Ctrl+A Maxwell 3D> Mesh operations> Assign> Inside Selection> Length Based 不选Restrict length of elements 选中Restrict the number of elements 输入maximum number of elements：10000 4.设置自适应计算参数 Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup Default 5. Check & Run 6. 后处理 绘出导体中的电流流向图 选中所有导体 Maxwell 3D > Fields > Fields >J > J_Vector 调节矢量箭头尺寸 3. 恒定磁场问题实例：恒定磁场力矩计算 计算如下图所示永磁体模块在线圈磁场中所受力矩。 1.建模 Project > Insert Maxwell 3D Design File>Save as>Magnetostatic 选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Electric> Magnetostatic 创建线圈 Draw > Regular Polygon 中心点坐标： > 设置截面半径：> 截面多边形边数：Number of Segments: 12 将多边形重命名为Coil 选中Coil Draw > Sweep > Around Axis Assign Material > copper 创建永磁体模型 Draw > Box 起点：> 坐标偏置：> 将六面体重命名为Magnet Assign Material > NdFe35 设置磁体的磁化方向> 创建激励电流加载面 Select Coil Modeler > Surface > Section Modeler > Boolean > Separate Bodies 删除1个截面 Select 1个截面，Del 将剩下的1个截面重命名为“Section1” 旋转线圈和激励电流加载面 选中 Coil和Section1 创建计算区域 Draw > Region Padding Percentage：100% 2.设置激励 选中线圈截面：Section1 Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current Name: Current1 Value: 100 Type: Stranded 3.设置计算参数 选中 Magnet Maxwell 3D > Parameters > Assign > Torque Name: Torque1 Type: Virtual Axis: Global:Z, Positive 4.设置自适应计算参数 Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup 最大迭代次数： Maximum number of passes ：误差要求： Percent Error: 1% 每次迭代加密剖分单元比例： Refinement per Pass : 30% 5. Check & Run 6. 查看结果 Maxwell 3D > Reselts > Solution data > Torque 力矩：-2.9288E-005 (N·m) XOY平面磁场强度幅值分布图 XOY平面磁场强度方向矢量图 15 4. 参数扫描问题实例：恒定磁场力矩计算 计算如下图所示铁块所受线圈磁场的作用力。 要求对线圈中的电流和铁块的高度做参数扫描，计算不同设置值时，作用力的大小。 1.建模 Project > Insert Maxwell 3D Design File>Save as> Parametric 选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Magnetostatic 创建线圈 Draw > Regular Polyhedron Center Position： >mm Start Position：>mm Axis：Z Height：0.8mm 多边形边数：Number of Segments: 36 将多边形重命名为Polyhedron1 选中Polyhedron1 CTRL_C，CTRL_V 修改相关设置 Center Position： >mm Start Position：>mm Axis：Z Height：0.8mm 多边形边数：Number of Segments: 36 将多边形重命名为Polyhedron2 创建线圈 选中Polyhedron1，Polyhedron2 Modeler > Boolean > Subtract Blank Park: Polyhedron1 Tool Park: Polyhedron2 将Polyhedron1重命名为Coil Assign Material > copper 创建铁块模型 Draw > Box 任意创建一个6面体 尺寸参数设置如下： 注意：ZSize参数的值为：“SlugHeight” 将六面体重命名为Slug Assign Material > iron 创建计算区域 Draw > Region Padding Percentage：200% 创建激励电流加载面 Select Coil Modeler > Surface > Section Section Plane: YZ平面 Modeler > Boolean > Separate Bodies 删除1个截面 Select 1个截面，Del 将剩下的1个截面重命名为“Section1” 2.设置激励 选中线圈截面：Section1 Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current Value: AmpTurns Type: Stranded 3.设置计算参数 选中 Slug Maxwell 3D > Parameters > Assign > Force Name: Force 1 Type: Virtual 4.设置自适应计算参数 Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup 最大迭代次数： Maximum number of passes ： 5 误差要求： Percent Error: 1% 每次迭代加密剖分单元比例： Refinement per Pass : 30% 5. 创建参数扫描设置 Maxwell 3D > Optimetrics Analysis > Add Parametric 点击Add，创建扫描参数 variable选择： SlugHeight linear step Start =1, Stop =2, Step = 0.5 点击Add >>按键 将SlugHeight的扫描设置添加到右边空白栏 variable选择： AmpTurns linear step Start =100, Stop =200, Step =50 点击Add >>按键 将AmpTurns的扫描设置添加到右边空白栏 点击OK. 点击 Calculations子菜单 点击 Setup Calculations 点击Add Calculations Setup1出现在Setup Sweep Analysis菜单中 点击Done 在Options 子菜单中 选中如下设置 “Save Field and Mesh ” :在每一步参数扫描计算后，保存相应的计算场量和剖分信息，一般，系统为节约内存，默认不保存。 “Copy geometrically equivalent meshes” 在下次计算中，可重复使用上次计算时未变形的模块的剖分数据。一般来说，频率扫描时，不推荐使用该选项，因为Ansoft的剖分算法是与频率相关的。 5. Check 6.计算 在Project Manager 窗口 Optimetrics 右键点击 ParametricSetup1 选择 Analyze 7. 查看结果 右键点击 ParametricSetup1 选择View Analysis Result 在Project Manager 窗口 右键点击Create Report 设置参数如下： 点击New Report 5. 恒定磁场实例：三相变压器电感计算 计算如下图所示变压器绕组的电感。 1.建模 Project > Insert Maxwell 3D Design File>Save as> Inductance 选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Magnetostatic 改变作图单位Modeler > Units > Select Units: in (inches) 创建变压器铁芯框架 Draw > Box Position： Box尺寸：> Draw > Box Position： Box尺寸：> 选中Box2 Edit > Duplicate > Around Axis Axis: Z Angle: 180 deg Total number: 2 选中Box1 ，Box2，Box2_1 Modeler > Boolean > Subtract Blank Parts: Box1 Tool Parts: Box2，Box2_1 不要选：“Clone tool objectsbefore subtracting” Draw > Box 选中Box1 ，Box3 Modeler > Boolean > Subtract Blank Parts: Box1 Tool Parts: Box3 不要选：“Clone tool objectsbefore subtracting” 选中Box1 Modeler > Boolean > Separate Bodies 将分离后的模型分别重命名为：“Core_E”和“Core_I” 将两者的材料重设为：“steel_1008” 创建线圈 Modeler > Grid Plane > YZ Draw > Rectangle 设置如下： Modeler > Grid Plane > XY Draw > Rectangle 设置如下： 选中Rectangle2 Modeler > Delete Last Operation 选中Rectangle1，Rectangle2 Draw > Sweep > Along Path Angle of twist: 0deg Draft Angle: 0deg Draft type: Round 选中Rectangle1 Edit > Duplicate > Along Line > > Total Number: 3 选中Rectangle1, Rectangle1_1, Rectangle1_2 Edit > Duplicate > Along Line > > Total Number: 3 将Rectangle1, Rectangle1_1和 Rectangle1_2重命名为：Coil_left, Coil_left_1, Coil_left_2 将中间柱上线圈重命名为：Coil_mid, Coil_ mid _1, Coil_ mid _2 将右边柱上线圈重命名为：Coil_right, Coil_ right _1, Coil_ right _2 将所有Coil的材料改为Copper 创建激励电流加载面 选中所有线圈 Modeler > Surface > Section 选中YZ平面 Modeler > Boolean > Separate Bodies Edit > Delete 将左边柱上的截面重命名为：Section1, Section2 , Section3 将中间柱上的截面命名为：Section4, Section5 , Section6 将右边柱上的截面命名为：Section7, Section8 , Section9 创建计算区域 Draw > Region 2.设置激励 选中左边柱上线圈截面：Section1, Section2 , Section3 Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current Name: PhaseA Value: -0.5*Mag Type: Stranded 确认，弹出Add Variable窗口 Variable：Mag > Value: 30A 选中中间柱上线圈截面：Section4, Section5 , Section6 Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current Name: PhaseB Value: Mag Type: Stranded 选中右边柱上线圈截面：Section7, Section8 , Section9 Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current Name: PhaseC Value: -0.5*Mag Type: Stranded 3.设置自适应计算参数 Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup 最大迭代次数： Maximum number of passes ： 10 误差要求： Percent Error: 1% 每次迭代加密剖分单元比例： Refinement per Pass : 30% 设置非线性残差：nonlinear residual: 0.001 4.设置计算参数 设置参数Matrix1 Maxwell > Parameters > Assign > Matrix 弹出Matrix 窗口 在Setup子菜单下，include栏中确认打钩 在Post Processing子菜单下，Turns栏中全部改为30 选中PhaseA_1, PhaseA_2, PhaseA_3 点击按键：Group -> 将Group名改为PhaseA 选中PhaseB_1, PhaseB_2, PhaseB_3 点击按键：Group -> 将Group名改为PhaseB 选中PhaseC_1, PhaseC_2, PhaseC_3 点击按键：Group -> 将Group名改为PhaseC 如下图所示： 每个线圈有30匝，在同一个柱上的3个线圈是串联连接。 设置参数Matrix2 Maxwell > Parameters > Assign > Matrix 弹出Matrix 窗口 在Setup子菜单下，include栏中确认打钩 在Post Processing子菜单下，Turns栏中全部改为15 选中PhaseA_1, PhaseA_2, PhaseA_3 点击按键：Group -> 将Group名改为PhaseA 选中PhaseB_1, PhaseB_2, PhaseB_3 点击按键：Group -> 将Group名改为PhaseB 选中PhaseC_1, PhaseC_2, PhaseC_3 点击按键：Group -> 将Group名改为PhaseC Branches全部改为3 如下图所示： 每个线圈有15匝，在同一个柱上的3个线圈是串联连接。 5. Check & Run 6. 查看结果 Parameters > Matrix>(点击右键)选择：View Solution 继续仿真 1.创建对称模型 右键点击Project Manager窗口中的MaxwellDesign1 Copy 右键点击Project Manager窗口中的inductance Paste 拷贝了原工程 Ctrl+A选中所有物体 将原模型以YZ平面为对称面劈开，保留X轴正半轴的部分。 Modeler > Boolean > Split Split Plane : YZ Keep Fragments: Positive side Split Objects: Split entire selection 2.修改计算区域 Draw > Region +X: 800 -X: 0 3.设置激励 将模型旋转到Split面朝外 按“f”键，切换选择方式为：面选择 选中最右边的线圈截面 Maxwell > Excitations > Assign > Current Base Name: PhaseA_in Value: -0.5*Mag Type: Stranded 选中最右边线圈的另一截面： Maxwell > Excitations > Assign > Current Base Name: PhaseA_out Value: -0.5*Mag Type: Stranded 点击 Swap Direction ，保证电流的方向是流出截面。 选中中间的线圈截面 Maxwell > Excitations > Assign > Current Base Name: PhaseB_in Value: Mag Type: Stranded 选中中间线圈的另一截面： Maxwell > Excitations > Assign > Current Base Name: PhaseB_out Value: Mag Type: Stranded 点击 Swap Direction，保证电流的方向是流出截面。 选中最左边的线圈截面 Maxwell > Excitations > Assign > Current Base Name: PhaseC_in Value: -0.5*Mag Type: Stranded 选中最左边线圈的另一截面： Maxwell > Excitations > Assign > Current Base Name: PhaseC_out Value: -0.5*Mag Type: Stranded 点击 Swap Direction ，保证电流的方向是流出截面。 激励设置完毕 4.设置计算参数 Maxwell > Parameters > Assign > Matrix 弹出Matrix 窗口 在Setup子菜单下，include栏中确认打钩 在Post Processing子菜单下，Turns栏中全部改为30 选中PhaseA_in_1, PhaseA_ in_2, PhaseA_ in_3 点击按键：Group -> 将Group名改为PhaseA 选中PhaseB_ in_1, PhaseB_ in_2, PhaseB_ in_3 点击按键：Group -> 将Group名改为PhaseB 选中PhaseC_ in_1, PhaseC_ in_2, PhaseC_ in_3 点击按键：Group -> 将Group名改为PhaseC 5. Check & Run 6. 查看结果 Parameters > Matrix>(点击右键)选择：View Solution 计算结果为原来的一半，因为模型也是原来的一半。 6. 永磁体磁化方向设置：局部坐标系的使用 绘制4个同样形状的环状永磁体，对其设置不同的磁化方向，显示每个永磁体磁环的磁场分布。 1.建模 Project > Insert Maxwell 3D Design File>Save as> Magnet 选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Magnetostatic 右键点击项目管理器中的MaxwellDesign1，重命名为Ring01 创建第1个磁环 Draw > Regular Polyhedron 输入center position： : 输入圆柱体的半径和高度： : Number of segments ：36 将RegularPolyhedron1重命名为Ring01_1，颜色改为blue Draw > Regular Polyhedron 输入center position： : 输入圆柱体的半径和高度： : Number of segments ：36 将RegularPolyhedron1重命名为Hole 选中Ring01_1和Hole Modeler >Boolean > Subtract Blank Parts: Ring01_1 Tool Parts: Hole 2. 设置磁环Ring01_1的材料 选中Ring01_1 Assign Material Add Material Material Name Mag01 Material Coordinate System Cylindrical Magnitude -837000 R Component 1 Ring01_1磁环以全局坐标系Global的Z轴为对称轴，其磁化方向以Z轴为轴心线，向外沿半径方向发散。 创建第2个磁环 选中Ring01_1 右键：Edit > Duplicate >Along Line ： ： Total Number: 2 将Ring01_1_1重命名为：Ring01_2 创建局部坐标系：RelativeCS_Mag01_2 Modeler > Coordinate System > Create > Relative CS > Offset ：设置局部坐标系的坐标原点 双击Coordinate Systems栏下的RelativeCS1，将其重命名为：RelativeCS_Mag01_2 选中Ring01_2 鼠标右键点击，Edit > Properties 将Ring01_2磁环的工作坐标系改为局部坐标系RelativeCS_Mag01_2： Ring01_2磁环以局部坐标系RelativeCS_Mag01_2的Z轴为对称轴，磁化方向向外沿半径方向发散。 将工作坐标系切换回Global坐标： Modeler > Coordinate System > Set Working > Global 创建磁环3和磁环4 选中Ring01_1和Ring01_2 右键：Edit > Duplicate >Along Line ： ： Total Number: 2 将Ring01_1_1重命名为：Ring02_1 将Ring01_2_1重命名为：Ring02_2 创建Ring02_2磁环的局部坐标系：RelativeCS_Mag02_2 Modeler > Coordinate System > Create > Relative CS > Both ：设置局部坐标系的坐标原点 设置坐标系的翻转： ：，Enter ：, Enter 双击Coordinate Systems栏下的RelativeCS1，将其重命名为：RelativeCS_Mag02_2 将工作坐标系切换回Global坐标： Modeler > Coordinate System > Set Working > Global 选中Ring02_2 鼠标右键点击，Edit > Properties 将Ring02_2磁环的工作坐标系改为局部坐标系RelativeCS_Mag02_2： 2. 设置磁环Ring02_1和Ring02_2的材料 选中Ring02_1和Ring02_2 鼠标右键：Assign Material Clone Material Material Name: Mag02 Material Coordinate System: Cylindrical Magnitude: -837000 R Component: 0 Z Component: 1 Ring02_1沿全局坐标系Global的Z轴方向磁化。 Ring02_2沿局部坐标系RelativeCS_Mag02_2的Z轴方向磁环。 3. 创建计算区域 将工作坐标系切换回Global坐标： Modeler > Coordinate System > Set Working > Global Draw > Region 4.设置自适应计算参数 Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup 最大迭代次数： Maximum number of passes ： 10 误差要求： Percent Error: 3% 每次迭代加密剖分单元比例： Refinement per Pass : 30% 非线性残差：Nonlinear Residual: 0.01 5. Check & Run 6. 查看结果 绘出磁感应强度矢量图： Fields > B > B_Vector 调整矢量箭头： Scale子菜单 选中UseLimits Min： 0 Max： 1 Apply Marker/Arrow子菜单 去除Map Size选项 调节Size滑标到其1/3处 Apply Plots子菜单 选中 Uniform 将Spacing size 滑标移到最小 Min 3 Maxs 10 Apply. 7. Master/Slave边界使用实例：直流无刷电机内磁场计算 计算如下图所示四极无刷直流电机内的磁场分布。通过对比全模型和1/4模型的仿真，掌握匹配边界Master/Slave的用法。 一全模型仿真 1.建模 Project > Insert Maxwell 3D Design File>Save as> Master_Slave 将设计名由Maxwell3DDesign1改为Full_Model_1 选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Magnetostatic 创建电机模型 调用模型库中的现有模型 Draw > User Defined Primitive > Syslib > Rmxprt > SRMCore 电机的参数设计如下： 将模型名由SRMCore1改为Stator 将材料改为镍 分离模型 全选所有模型Ctrl+A Modeler > Boolean > Separate Bodies 将线圈重命名为按逆时针顺序改为Coil1，Coil2， Coil3， Coil4 创建线圈的电流加载面 选中4个线圈，得到线圈截面 Modeler > Surface > Section > XY Plane 分离线圈截面 Modeler > Boolean > Separate Bodies 删除多余的截面 Del 2.设置激励电流 选中所有截面 Maxwell > Excitations > Assign > Current Value ：100 Amps Type： Stranded 创建计算区域 Draw > Region Padding Percentage：10% 3.设置自适应计算参数 Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup 最大迭代次数： Maximum number of passes ： 15 误差要求： Percent Error: 1% 每次迭代加密剖分单元比例： Refinement per Pass : 30% 4. Check & Run 5. 查看结果 Planes > Global: XY Field Overlays > Fields > H > H_Vector >Done 二1/4模型仿真 在Project manager栏下，选中Full_Model_1 > Copy > Paste 得到原设计的copy，重命名为Full_Model_2 Ctrl+A，选中所有模型 Modeler > Boolean > Split Split Plane > YZ Keep Fragments > Positive Side Split Objects > Split entire selection Modeler > Boolean > Split Split Plane > XZ Keep Fragments > Positive Side Split Objects > Split entire selection 修改Region区域 旋转模型，使XZ面朝外 按F键，将体选择改为面选择 选中XZ面 Assign Boundary > Master 选择New Vector 沿着Z轴正方向设置U Vector向量 起点 终点 形成Master1面如下： 旋转模型，使YZ面朝外 选中YZ面 Assign Bound