Maxwell瞬态场仿真实例.doc

MAXWELL 3D 12.0 BASIC EXERCISES1. 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（理想导体）介质尺寸：25mm×25mm×1mm，材料：mica（云母介质）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（Model）Project > Insert Maxwell 3D DesignFile>Save as>Planar Cap（工程命名为“Planar Cap”）选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Electric> Electrostatic创建下极板六面体Draw > Box（创建下极板六面体）下极板起点：（X,Y,Z）>（0, 0, 0）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（25, 25,0）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0, 0, 2）将六面体重命名为DownPlateAssign Material > pec（设置材料为理想导体perfect conductor）创建上极板六面体Draw > Box（创建下极板六面体）上极板起点：（X,Y,Z）>（0, 0, 3）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（25, 25,0）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0, 0, 2）将六面体重命名为UpPlateAssign Material > pec（设置材料为理想导体perfect conductor）创建中间的介质六面体Draw > Box（创建下极板六面体）介质板起点：（X,Y,Z）>（0, 0, 2）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（25, 25,0）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0, 0, 1）将六面体重命名为mediumAssign Material > mica（设置材料为云母mica，也可以根据实际情况设置新材料）创建计算区域（Region）Padding Percentage：0%忽略电场的边缘效应（fringing effect）电容器中电场分布的边缘效应2.设置激励（Assign Excitation）选中上极板UpPlate,Maxwell 3D> Excitations > Assign >Voltage > 5V选中下极板DownPlate,Maxwell 3D> Excitations > Assign >Voltage > 0V3.设置计算参数（Assign Executive Parameter）Maxwell 3D > Parameters > Assign > Matrix > Voltage1, Voltage24.设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）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 & Run6. 查看结果Maxwell 3D > Reselts > Solution data > Matrix电容值：31.543pF2. 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（DC conduction）恒定电场的源：（1）Voltage Excitation，导体不同面上的电压（2）Current Excitations，施加在导体表面的电流（3）Sink（汇），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（Model）Project > Insert Maxwell 3D DesignFile>Save as>Planar Cap（工程命名为“DC Conduction”）选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Electric> DC Conduction创建导体ConductorDraw > Box起点：（X,Y,Z）>（1, -0.6, 0）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（1, 0.2,0.2）将六面体重命名为ConductorAssign Material > Copper（设置材料为铜）创建另3个并列的导体Select ConductorEdit > Duplicate > Along Line（沿线复制）输入line矢量的第1个点：（0，0，0）输入line矢量的第2个点：（0，0.4，0）输入复制总数：4（包括原导体）创建导体Conductor_4Draw > Box起点：（X,Y,Z）>（0.8, -1, 0）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0.2, 2.2,0.2）将六面体重命名为Conductor_4Assign Material > Copper（设置材料为铜）创建导体Conductor_5Draw > Box起点：（X,Y,Z）>（0.8, -0.4, 0）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（-1.2, 0.2,0.2）将六面体重命名为Conductor_5Assign Material > Copper（设置材料为铜）创建导体Conductor_6Select Conductor_5Edit > Duplicate > Mirror（镜像复制）输入对称镜像平面法向量在平面中的第1点坐标：（0，0，0）输入对称镜像平面法向量在平面外的第2点坐标：（0，1，0）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_7Draw > Box起点：（X,Y,Z）>（-0.4，0.6，0）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（-0.4, -1.2,0.2）将六面体重命名为Conductor_sinkAssign Material > Copper（设置材料为铜）创建计算区域（Region）Padding Percentage：10%2.设置激励（Assign Excitation）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 > 1AMaxwell 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（Current Sink）选中Current_sink导体的下列2侧面Maxwell 3D> Excitations > Assign > Sink3.设置剖分操作（Assign Mesh Operations）选中所有物体，Ctrl+AMaxwell 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（设置剖分单元的最大数量）4.设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution SetupDefault5. Check & Run6. 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（Model）Project > Insert Maxwell 3D DesignFile>Save as>Magnetostatic（工程命名为“Magnetostatic”）选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Electric> Magnetostatic创建线圈Draw > Regular Polygon（创建线圈横截面）中心点坐标： （X,Y,Z）>（0, 5, 0）设置截面半径：（dX,dY,dZ）>（0.5, 0,0）截面多边形边数：Number of Segments: 12将多边形重命名为Coil选中CoilDraw > Sweep > Around Axis（设置如下）Assign Material > copper（设置材料为铜）创建永磁体模型Draw > Box（创建下极板六面体）起点：（X,Y,Z）>（-3, -0.5, -0.5）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（6,1,1）将六面体重命名为MagnetAssign Material > NdFe35（设置材料为NdFe35铷铁硼材料）设置磁体的磁化方向（X,Y,Z）>（1,0,0）（磁体沿x轴正方向磁化）创建激励电流加载面（Create Section）Select CoilModeler > Surface > SectionModeler > Boolean > Separate Bodies（分离两Section面）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（Region）Draw > RegionPadding Percentage：100%2.设置激励（Assign Excitation）选中线圈截面：Section1Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current Name: Current1Value: 100Type: Stranded3.设置计算参数（Assign Executive Parameter）选中 MagnetMaxwell 3D > Parameters > Assign > Torque Name: Torque1Type: VirtualAxis: Global:Z, Positive4.设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）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%5. Check & Run6. 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（Model）Project > Insert Maxwell 3D DesignFile>Save as> Parametric（工程命名为“Parametric”）选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Magnetostatic创建线圈 Draw > Regular Polyhedron（创建多边形柱体1）Center Position（中心点坐标）： （X,Y,Z）>（0, 0, 0）mmStart Position（起点坐标）：（X,Y,Z）>（1.25, 0,0）mmAxis（对称轴）：ZHeight（柱体高度）：0.8mm多边形边数：Number of Segments: 36将多边形重命名为Polyhedron1选中Polyhedron1（创建多边形柱体2）CTRL_C，CTRL_V修改相关设置Center Position（中心点坐标）： （X,Y,Z）>（0, 0, 0）mmStart Position（起点坐标）：（X,Y,Z）>（1, 0,0）mmAxis（对称轴）：ZHeight（柱体高度）：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，Polyhedron2Modeler > Boolean > SubtractBlank Park: Polyhedron1Tool Park: Polyhedron2将Polyhedron1重命名为CoilAssign Material > copper（设置材料为铜）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SlugAssign Material > iron（设置材料为iron）创建计算区域（Region）Draw > RegionPadding Percentage：200%创建激励电流加载面（Create Section）Select CoilModeler > Surface > SectionSection Plane: YZ平面Modeler > Boolean > Separate Bodies（分离两Section面）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（Assign Excitation）选中线圈截面：Section1Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current Value: AmpTurnsType: Stranded（线形激励电流）3.设置计算参数（Assign Executive Parameter）选中 SlugMaxwell 3D > Parameters > Assign > Force Name: Force 1Type: Virtual4.设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）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 stepStart =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 （设置安匝数的扫描）linear stepStart =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 CalculationsSetup1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 Analyze7. 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 Report5. 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。（学习半对称模型的使用half-symmetry）1.建模（Model）Project > Insert Maxwell 3D DesignFile>Save as> Inductance （工程命名为“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 > BoxPosition： （-1,-6,0）Box尺寸：（XSize, YSize, ZSize）>（2,12,10）Draw > BoxPosition： （-1,1 ,2）Box尺寸：（XSize, YSize, ZSize）>（2,3,6）选中Box2Edit > Duplicate > Around AxisAxis: ZAngle: 180 degTotal number: 2选中Box1 ，Box2，Box2_1Modeler > Boolean > SubtractBlank Parts: Box1Tool Parts: Box2，Box2_1不要选：“Clone tool objectsbefore subtracting”Draw > Box（创建Gap）选中Box1 ，Box3Modeler > Boolean > SubtractBlank Parts: Box1Tool Parts: Box3不要选：“Clone tool objectsbefore subtracting”选中Box1Modeler > Boolean > Separate Bodies将分离后的模型分别重命名为：“Core_E”（原Box1）和“Core_I”将两者的材料重设为：“steel_1008”创建线圈Modeler > Grid Plane > YZDraw > Rectangle设置如下：Modeler > Grid Plane > XYDraw > Rectangle设置如下：选中Rectangle2Modeler > Delete Last Operation（形成Rectangle1围绕的轨迹）选中Rectangle1，Rectangle2Draw > Sweep > Along PathAngle of twist: 0degDraft Angle: 0degDraft type: Round选中Rectangle1Edit > Duplicate > Along Line（X,Y,Z）>（ 0, 0, 0）（dX,dY,dZ）>（0, 0, 1.925）Total Number: 3选中Rectangle1, Rectangle1_1, Rectangle1_2Edit > Duplicate > Along Line（X,Y,Z）>（ 0, 0, 0）（dX,dY,dZ）>（0, 5,0）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（Create Section）选中所有线圈Modeler > Surface > Section选中YZ平面Modeler > Boolean > Separate BodiesEdit > Delete（删除多余的面）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（Region）Draw > Region2.设置激励（Assign Excitation）选中左边柱上线圈截面：Section1, Section2 , Section3Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current Name: PhaseAValue: -0.5*MagType: 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 , Section6Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current Name: PhaseBValue: MagType: Stranded选中右边柱上线圈截面：Section7, Section8 , Section9Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current Name: PhaseCValue: -0.5*MagType: Stranded3.设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）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: 0.0014.设置计算参数（Assign Executive Parameter）设置参数Matrix1Maxwell > 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Matrix2Maxwell > 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PhaseCBranches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 & Run6. 查看结果Parameters > Matrix>(点击右键)选择：View Solution继续仿真（根据模型的对称特点重新建模）1.创建对称模型右键点击Project Manager窗口中的MaxwellDesign1Copy右键点击Project Manager窗口中的inductancePaste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 > SplitSplit Plane : YZKeep Fragments: Positive sideSplit Objects: Split entire selection2.修改计算区域Draw > Region+X: 800-X: 03.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 > CurrentBase Name: PhaseA_inValue: -0.5*MagType: Stranded选中最右边线圈的另一截面：Maxwell > Excitations > Assign > CurrentBase Name: PhaseA_outValue: -0.5*MagType: 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 > CurrentBase Name: PhaseB_inValue: MagType: Stranded选中中间线圈的另一截面：Maxwell > Excitations > Assign > CurrentBase Name: PhaseB_outValue: MagType: 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 > CurrentBase Name: PhaseC_inValue: -0.5*MagType: Stranded选中最左边线圈的另一截面：Maxwell > Excitations > Assign > CurrentBase Name: PhaseC_outValue: -0.5*MagType: 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（Assign Executive Parameter）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PhaseC5. Check & Run6. 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（Model）Project > Insert Maxwell 3D DesignFile>Save as> Magnet（工程命名为“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（创建多边形柱体1）输入center position：（X,Y,Z）: （0, 0, -4）输入圆柱体的半径和高度：（dX,dY, dZ）: （40, 0, 8）Number of segments ：36将RegularPolyhedron1重命名为Ring01_1，颜色改为blueDraw > Regular Polyhedron（创建多边形柱体2）输入center position：（X,Y,Z）: （0, 0, -4）输入圆柱体的半径和高度：（dX,dY, dZ）: （30, 0, 8）Number of segments ：36将RegularPolyhedron1重命名为Hole选中Ring01_1和Hole（用Ring01_1减去Hole，得到圆环柱）Modeler >Boolean > SubtractBlank Parts: Ring01_1Tool Parts: Hole2. 设置磁环Ring01_1的材料 选中Ring01_1Assign MaterialAdd MaterialMaterial Name Mag01Material Coordinate System CylindricalMagnitude -837000R Component 1Ring01_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（X,Y,Z）：（0,0,0）（dX,dY,dZ）：（120,0,0）Total Number: 2 将Ring01_1_1重命名为：Ring01_2 创建局部坐标系：RelativeCS_Mag01_2Modeler > Coordinate System > Create > Relative CS > Offset（X,Y,Z）：（120,-50,0）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（X,Y,Z）：（0,0,0）（dX,dY,dZ）：（0,120,0）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_2Modeler > Coordinate System > Create > Relative CS > Both（X,Y,Z）：（120,120,0）设置局部坐标系的坐标原点设置坐标系的翻转：（dX,dY,dZ）：（1, 0,0），Enter （dX,dY,dZ）：（0, 0,-1）, 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 MaterialClone MaterialMaterial Name: Mag02Material Coordinate System: CylindricalMagnitude: -837000R Component: 0Z Component: 1Ring02_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（Region）将工作坐标系切换回Global坐标：Modeler > Coordinate System > Set Working > GlobalDraw > Region4.设置自适应计