Maxwell瞬态场仿真实例.docx

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1、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：25mm25mm2mm，材料：pec 介质尺寸：25mm25mm1mm，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 FileSave asPlanar Cap 选择求解器类型：Maxwell Solution Type Electric Electrostatic 创建下极板六面体 Draw Bo

2、x 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 Excitati

3、ons 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.

4、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J=0 DC conduction求解器： 不计算导体外的电

5、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 FileSave asPlanar 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l

6、ine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

7、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

8、 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 Ma

9、xwell 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 FileSave asMagnetostatic 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

10、 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 Pe

11、rcentage：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 num

12、ber 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 (Nm) 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 Maxw

13、ell 3D Design FileSave 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 Hei

14、ght：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 ir

15、on 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 M

16、axwell 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

17、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Optio

18、ns 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 ParametricSetu

19、p1 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 FileSave 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

20、： 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: Bo

21、x1 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Rectang

22、le1，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,

23、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

24、 , 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 E

25、xcitations 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 Err

26、or: 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

27、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

28、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 Ma

29、nager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 Curren

30、t 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： Maxwel

31、l 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:

32、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P

33、haseB 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 FileSave as Magnet 选择求解器类型：Maxwe

34、ll 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RegularPolyhedro

35、n1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

36、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

37、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_

38、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

39、： 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： Model

40、er 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

41、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 Fil

42、eSave 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， Coil

43、4 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：

44、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 Pla

45、ne 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