ANSYS Maxwell + Workbench 2021 電機多物理場耦合有限元分析從入門到工程實戰

上篇 基礎操作篇
第1章 有限元分析及ANSYS Maxwell/Workbench 2021 概述 002
1.1 有限元法簡介 002
1.2 有限元法基本思想及求解步驟 002
1.3 有限元分析的發展趨勢及FEA 軟體 003
1.4 ANSYS 簡介 004
1.5 ANSYS Electronics Desktop 2021 平臺 005
1.5.1 項目新建及保存 006
1.5.2 Maxwell 基本運行介面 006
1.5.3 項目列表常用操作 007
1.5.4 ANSYS Maxwell 電磁場有限元模擬的一般流程 008
1.6 ANSYS Workbench 2021 平臺及模組 009
1.6.1 Workbench 基本運行介面 009
1.6.2 模組區基本操作 009
1.6.3 ANSYS Workbench 多物理場耦合模擬的一般流程 015

第2章 ANSYS Maxwell 幾何建模方法 018
2.1 坐標系簡介 018
2.1.1 相對座標系的創建 019
2.1.2 表面坐標系的創建 020
2.1.3 實體坐標系的創建 021
2.2 基本模型繪製方法 022
2.2.1 點、線、面、體的繪製 022
2.2.2 螺旋線的繪製 023
2.2.3 參數方程曲線的繪製 024
2.3 幾何操作方法 025
2.3.1 布耳運算 025
2.3.2 等比例放大/縮小和拉伸、掃描 027
2.3.3 位置變換和複製 029
2.3.4 倒角和圓角 030
2.4 UDP 快速建模方法 031
2.5 參數化方法在建模中的運用 035
2.6 外部幾何模型導入方法 035
2.7 RMxprt 一般電機模型快速建模法 036
2.7.1 模型選擇 037
2.7.2 參數設定 037
2.7.3 模型生成 046
2.7.4 RMxprt 自訂槽形 048

第3章 ANSYS Maxwell 2D/3D 通用前處理流程 051
3.1 建立模型 051
3.2 設定求解類型 051
3.3 常見材料設置 053
3.3.1 材料庫簡介. 053
3.3.2 鐵磁材料的添加 053
3.3.3 永磁材料的屬性設置 056
3.3.4 導體材料的屬性設置 060
3.3.5 考慮溫度修正的材料參數化設置 061
3.4 設定運動區域 065
3.4.1 普通旋轉電機運動設置 065
3.4.2 直線電機運動設置 066
3.4.3 多區域運動設置 068
3.4.4 三維模型運動邊界 068
3.5 網格的類型及劃分策略 069
3.5.1 網格劃分默認設置 069
3.5.2 基於表面/內部網格剖分 071
3.5.3 曲線及曲面網格剖分 073
3.5.4 網格克隆 074
3.6 激勵源設置 078
3.6.1 電流激勵 078
3.6.2 電壓激勵 081
3.6.3 外電路激勵 081
3.7 邊界條件設定 082
3.7.1 常見邊界條件分類 082
3.7.2 不同邊界條件的適用範圍 083
3.7.3 各邊界條件的使用方法 084
3.8 自訂監測參數設定 087
3.8.1 電感參數 087
3.8.2 非直接求解模型受力/轉矩參數 087

第4章 求解及後處理 089
4.1 求解參數設置 089
4.1.1 穩態求解器 089
4.1.2 頻域求解器 092
4.1.3 時域求解器 094
4.2 結果後處理 097
4.2.1 查看求解數據 097
4.2.2 生成結果報表 098
4.2.3 繪製場量圖 102
4.2.4 場圖動畫生成及不同參數下結果查看 104
4.2.5 場計算器簡介及基本操作 106
4.2.6 場計算器自訂結果輸出 108

下篇 工程實例專題分析篇
第5章 靜磁場模擬分析 112
5.1 實例描述 112
5.2 二維靜磁場 112
5.2.1 模型創建 112
5.2.2 設置求解域 113
5.2.3 設置激勵 114
5.2.4 邊界條件和力參數設置 115
5.2.5 求解設置 115
5.2.6 求解數據 115
5.3 三維靜磁場 117
5.3.1 模型設置 117
5.3.2 激勵設置 118
5.3.3 設置求解域 119
5.3.4 設置扭矩參數 119
5.3.5 分析和結果 119

第6章 油浸式變壓器不同工況下電磁及Simplorer 場路耦合模擬 121
6.1 實例描述及模擬策略 121
6.2 變壓器電磁場模擬分析 121
6.2.1 模型建立及前處理 121
6.2.2 計算結果查看 125
6.3 基於Simplorer（Twin Builder）的變壓器場路耦合模擬 125
6.3.1 Simplorer 基本運行介面 126
6.3.2 空載工況模擬分析 127
6.3.3 短路工況模擬分析 129
6.3.4 負載工況模擬分析 129

第7章 籠型轉子感應電機快速電磁計算及電磁-溫度場耦合模擬 131
7.1 實例描述及模擬策略 131
7.2 RMxprt 快速建模及電磁性能計算 131
7.2.1 模型選擇及基礎參數設置 131
7.2.2 激勵及求解參數設定 137
7.2.3 電磁計算結果及特性曲線查看 138
7.3 ANSYS Maxwell 2D 有限元模型電磁場模擬分析 144
7.3.1 RMxprt 一鍵匯出建模 144
7.3.2 邊界條件、激勵設置、網格劃分等前處理 151
7.3.3 電感及二維斜槽求解設定 156
7.3.4 求解設置及常規結果查看 157
7.3.5 氣隙磁密求取及FFT 分析 162
7.3.6 多模型多工況參數化批量求解方法 165
7.3.7 基於ACT 外掛程式生成效率Map 圖 168
7.4 ANSYS Maxwell 3D 有限元模型電磁場模擬分析 172
7.4.1 RMxprt 一鍵匯出建模 172
7.4.2 前處理及求解設置 173
7.4.3 結果輸出及後處理 177
7.5 基於Motor-CAD 的感應電機電磁、熱分析和效率Map 圖計算 179
7.5.1 Motor-CAD 基本介面及介紹 180
7.5.2 電磁性能求解 183
7.5.3 穩態溫升求解 188
7.5.4 瞬態溫升求解 196
7.5.5 效率Map 圖計算 198
7.5.6 路譜圖求解 201

第8章 內置式永磁同步電機電磁-溫度-結構多場耦合模擬 204
8.1 實例描述及模擬策略 204
8.2 RMxprt 快速建模及電磁性能計算 205
8.2.1 模型選擇及基礎參數設置 205
8.2.2 激勵及求解參數設定 208
8.2.3 電磁計算結果及特性曲線查看 208
8.3 ANSYS Maxwell 2D 有限元模型電磁場模擬分析 213
8.3.1 RMxprt 一鍵匯出建模 213
8.3.2 基於UDP 的永磁同步電機Maxwell 2D 幾何建模 213
8.3.3 空載工況氣隙磁場及空載感應電勢諧波提取 224
8.3.4 空載齒槽轉矩的計算 228
8.3.5 帶載工況下電磁轉矩、功率計算方法及磁場分析 229
8.3.6 交直軸電流、電感、磁鏈計算 231
8.3.7 基於參數化掃描的電機轉矩-功角特性曲線 233
8.3.8 基於參數化掃描的空載反電勢-轉速特性曲線 236
8.3.9 基於參數化掃描的轉子結構尺寸對電機性能影響分析 238
8.3.10 基於ACT 外掛程式生成效率Map 圖 243
8.3.11 永磁體抗退磁能力模擬計算 246
8.4 ANSYS optiSLang 模組在永磁同步電機優化的應用 250
8.4.1 ANSYS optiSLang 模組介紹 250
8.4.2 基於Workbench 平臺的Maxwell 參數化模型建立 251
8.4.3 基於optiSLang 和Workbench 平臺的電機參數靈敏度分析 255
8.4.4 基於optiSLang 和Workbench 平臺的電機多目標優化設計 259
8.5 基於Maxwell-Fluent 的永磁同步電機電磁-熱耦合模擬方法 263
8.5.1 電磁-熱耦合模擬模型的建立 263
8.5.2 Maxwell 2D 電磁場損耗求解 264
8.5.3 流體場模型導入和剖分設置 265
8.5.4 氣隙的等效處理及其熱導率的計算 268
8.5.5 定子繞組、漆膜及槽絕緣層熱導率等效、裝配間隙熱阻等效 269
8.5.6 Fluent 3D 模擬計算設置 272
8.5.7 計算結果及後處理 278
8.6 基於Workbench 永磁同步電機振動雜訊特性多物理場耦合模擬 279
8.6.1 電機振動雜訊的產生方式及分類 279
8.6.2 振動和雜訊特性多物理場模擬流程 281
8.6.3 電磁場定子齒部電磁力密求解方法 282
8.6.4 電機結構場模態求解方法 287
8.6.5 電機在多轉速範圍、峰值功率運行時電磁振動特性模擬 294
8.6.6 電機在多轉速範圍、峰值功率運行時電磁雜訊特性模擬 300

第9章 雙邊直線感應電機ANSYS Maxwell 2D/3D 電磁場模擬 306
9.1 實例描述及模擬策略 306
9.2 ANSYS Maxwell 2D 瞬態場有限元模擬分析 307
9.2.1 基本模型繪製 307
9.2.2 特殊邊界條件在模型簡化上的應用 309
9.2.3 材料、網格等前處理 310
9.2.4 定子法向力等自訂監測參數設定 313
9.2.5 常見直線電機曲線生成 313
9.2.6 自訂定子法向力分析 314
9.2.7 氣隙磁場、次級電密的縱向分佈提取 314
9.2.8 場處理器自訂場量輸出 315
9.2.9 參數化處理在結構優化上的應用 315
9.3 ANSYS Maxwell 2D 渦流場有限元模擬分析 317
9.3.1 激勵設置 317
9.3.2 求解設置 318
9.3.3 求解結果 320
9.4 ANSYS Maxwell 3D 瞬態場有限元模擬分析 322
9.4.1 3D 模型建立 322
9.4.2 定子繞組 328
9.4.3 完整電機模型繪製 330
9.4.4 材料、網格等前處理 332
9.4.5 自訂定子法向力監測參數設定 340
9.4.6 模擬分析設置 340
9.4.7 參數化模擬設置 341
9.4.8 氣隙及次級板電磁場的橫縱向分佈提取 341
9.4.9 常見直線電機特性曲線 343
參考文獻 346