Ansoft-Maxwell简介与电场仿真实例

3.AnsoftMaxwell简介徐征重庆大学Ansoft公司的Maxwell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。包括静电场、静磁场、时变电场，时变磁场，涡流场、瞬态场和温度场计算等，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。AnsoftMaxwellMaxwell还可产生高精度的等效电路模型以供Ansoft的SIMPLORER模块和其它电路分析工具调用。三维静电场分析（3DElectrostaticField）用于分析由静止电荷、直流电压引起的静电场。该模块直接计算标量电位，得到电场强度（E），电位移矢量（D），电场力、电场能量、转矩、电容值等。可用于分析直流高压绝缘问题，电容器储能问题等。三维直流磁场分析（3DDCMagnetic）用于分析由恒定电流、永磁体及外部激磁引起的磁场。该模块可计算磁场强度（H），电流密度（J），磁感应强度（B），磁场力、磁场能量、转矩、电感等。可用于分析直流载流线圈磁场，永磁体产生磁场等。涡流场分析（EddyCurrentField）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０到数百兆赫兹，能够计算损耗、铁损、力、转矩、电感与储能。可用于分析导体中的涡流分布。三维正弦电磁场特性等。用于求解某些涉及到运动和任意波形的电压、电流源激励的设备。该模块能同时求解磁场、电路及运动等强耦合的方程，因而可轻而易举地解决上述装置的性能分析问题。瞬态场（TransientField）Ansoft仿真步骤建模设置材料属性（电导率，介电常数，磁导率等）设置激励源和边界条件自适应网格剖分后处理有限元计算选择求解器类型Ansoft的自适应网格剖分在几何结构突变处、计算场量变化大处，剖分网格加密，其他部位较稀疏，这样既保证计算精度，也保证了计算速度。Ansoft的自适应有限元计算误差分析：两种误差EnergyErrorDeltaEnergyEnergyError：能量误差（以磁场问题为例）计算场量HH电流密度JC计算源电流密度JS与JC的差J计算由产生的能量JEn计算由JS产生的能量EnEnergyError=100%EnEnDeltaEnergy：迭代能量误差变化量若当前迭代次数i1次，DeltaEnergy=|第i-1次EnergyError-第i次EnergyError|迭代停止条件：两种条件Ansoft的自适应有限元计算1.Maximumnumberofpasses2.Percenterror（设定误差）EnergyError和DeltaEnergy都要小于Percenterror最大允许迭代次数两种条件满足其一，计算停止加密剖分原则：将具有更高能量误差的单元进行加密每次加密比例？系统默认30%Ansoft分析实例一：同轴电缆同轴电缆:尺寸：长25mm，内芯半径0.6mm，外屏蔽层外半径1.2mm，外屏蔽层厚度0.2mm。内芯和外屏蔽层材料：铜两层之间介质：空气内芯电压：-1kV；外屏蔽层电压1kV1.建模建立工程：ProjectInsertMaxwell3DDesign选择求解器类型：Maxwell3DSolutionTypeElectrostatic内芯建模：DrawCylinder输入内芯底面圆心坐标（0，0，-4）mm输入内芯半径：dy=0.6mm输入内芯长度：dz=25mm圆心坐标内芯半径内芯长度2.设置材料属性双击双击改名：Inner单击设置材料：copper单击改模型颜色继续建模：绘制外层屏蔽层模型选中已建立的Inner模型，Ctrl+C，Ctrl+V双击修改模型尺寸同理，建立第3个圆柱体，半径改为1mm，命名为Air，材料：vacuum建立第2个圆柱体，命名为Outer，材料：Copper从Outer模型中减去Air模型，得到外层屏蔽层模型。继续建模：绘制外层屏蔽层模型从Outer模型中减去Air模型，得到外层屏蔽层模型。选中Outer模型和Air模型：EditSelectByNameShift+鼠标左键继续建模：绘制外层屏蔽层模型从Outer模型中减去Air模型，得到外层屏蔽层模型。ModelerBooleanSubtractBlankParts:Outer;ToolParts:Air建模完毕3.设置激励源激励源：内芯电压：-1kV；外屏蔽层电压1kV选中Inner模型,设置电压-1kVMaxwell3DExcitationsAssignVoltage.选中Outer模型,设置电压1kV4.设置计算参数（可选）计算参数Force，力（虚位移法）Torque，转矩Matrix，矩阵参数（对于静电场问题：部分电容参数矩阵）计算电容值：Maxwell3DParametersAssignMatrix部分电容静电独立系统—D线从这个系统中的带电体发出，并终止于该系统中的其余带电体，与外界无任何联系，即系统中，总净电荷为0。CapacitanceMatrix部分电容矩阵4导体静电独立系统110112121313220221212323330331313232()()()()()()QCVCVVCVVQCVCVVCVVQCVCVVCVV101213121311212201223232331323301323CCCCCQVQCCCCCVQVCCCCC4.设置计算参数（可选）Maxwell3DParametersAssignForce-Virtualforce计算内芯受力选中Inner模型5.设置自适应求解器收敛判据Maxwell3DAnalysisSetupAddSolutionSetup最大迭代循环次数：10误差：5%每次迭代加密剖分比例：50%6.检验所有设置是否正确单击7.求解单击8.查看收敛结果Maxwell3DResultsSolutionData电场力收敛特性电容矩阵9.后处理在直接计算量的基础上得到间接计算量，将结果以图形的形式显示显示横截面电场幅值分布图在historytree窗口中选中Plane：Global:XY在Projectmanage窗口中FieldOverlays，右键单击FieldsEMag_E显示横截面电场矢量图在Projectmanage窗口中FieldOverlays，右键单击FieldsEE_Vector在historytree窗口中选中Plane：Global:XY9.后处理显示剖分结果图在Projectmanage窗口中FieldOverlays，右键单击FieldsPlotMesh选中模型Inner，Outer9.后处理导出电场强度E的数据1.Maxwell3DFieldsCalculator2.QuantityE3.GeometryAllobjects4.Domain导出电场强度E的数据5.Export数据保存路径：英文目录可用写字板打开导出电场强度E的数据GridOutputMin:[-0.002-0.0020]Max:[0.0020.0020.001]GridSize:[0.00010.00010.001]VectordataDomain(Volume(AllObjects),Ex,Ey,Ez)“-2.0000000000000000e-003-2.0000000000000000e-0030.0000000000000000e+000-2.6696090154630286e+002-3.6309353467063706e+003-1.9492643644693467e+002………场点坐标电场强度分量Ex，Ey，Ez