ANSYSMaxwell+Workbench2021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

在萬物皆可互聯的今天，對各種電氣設備和裝置進行電磁性能優化設計時，只考慮和利用電磁場模擬軟體或模組是遠遠不夠的，還需要綜合考慮溫度場、結構場、聲場等多物理場的耦合影響。

“工欲善其事，必先利其器！”

ANSYS Maxwell+Workbench 2021 正是這樣一款能提供電磁場、溫度場、結構場、聲場等多物理場單獨以及耦合計算的模擬軟體。

本書旨在介紹該軟體的基本操作以及工程應用的相關技巧。本書分為上、下兩篇，上篇為基礎操作篇，包含第1～4章；下篇為工程實例專題分析篇，包含第5～9章。

第1章介紹有限元基本內容，ANSYS 有限元軟體及旗下Electronics Desktop、Workbench平臺的運行介面，電磁有限元模擬和多物理場耦合模擬的一般流程。

第2章詳細介紹ANSYS Maxwell 2D/3D 自下而上的模型繪製建模方法、常用的UDP 用戶自訂幾何建模方法、參數化建模方法、幾何模型導入建模方法和RMxprt 常見電機快速建模方法等。

第3章主要講述ANSYS Maxwell 2D/3D 模型在不同求解場的前處理過程及步驟，包括求解類型的選擇、模型的材料庫以及材料屬性設置、運動部件設置、網格劃分方法、激勵及邊界條件設置、特定求解參數設定等。

第4章主要闡述了ANSYS Maxwell 2D/3D 求解參數設置方法和後處理過程。求解參數設置方法包括穩態求解器（靜電場、靜磁場、直流傳導電場）、頻域求解器（渦流場、交變電場）和瞬態求解器（瞬態場）的參數設置方法和技巧；後處理過程包括查看求解資料、創建求解報告、場量圖和動畫繪製、查看參數化求解結果、場計算器後處理使用方法等。

第5章以靜磁場為基礎，針對通電線圈中鐵磁材料的受力分析和永磁體與通電線圈的相互作用力分析兩個案例，詳細介紹其2D/3D 靜磁場模擬模型的建立、求解域設置、激勵設置、邊界條件設置以及力/轉矩等參數的設置方法，並給出了查看計算結果的方法。

第6章以10kV 三相油浸式變壓器為例，詳細介紹變壓器3D 瞬態場有限元模擬模型的建立及模型前處理、求解和後處理設置。並且介紹了利用Simplorer 模擬模組，搭建變壓器空載、短路、負載工況的場路聯合模擬模型和查看相應的電壓波形、電流波形、損耗曲線以及場分佈結果等。

第7章以4 極30kW 籠型銅條轉子感應電機為例，系統講解了如何使用RMxprt 進行建模、參數設置並執行快速的電磁性能計算，然後通過RMxprt 匯出模型，完成ANSYS Maxwell 2D 和3D 電磁場模型搭建，材料、邊界設置等前處理進程以及氣隙磁密求取，轉矩等特性曲線輸出，場圖繪製，效率等Map 圖生成等後處理過程，最終結合Motor-CAD，介紹了Motor-CAD 電磁-溫度場耦合模擬計算的方法。

第8章以一台8 極30kW 新能源車用V 型磁鋼內置式永磁同步電機為例，介紹了如何通過RMxprt 模組一鍵建模功能和UDP 快速繪製功能建立Maxwell 2D 模擬模型，並查看具體的空載和帶載性能結果。講解了利用ANSYS-optiSlang 優化外掛程式，實現電機電磁性能靈敏度分析和多目標優化方法。最後闡述了利用Workbench 模擬平臺，搭建車用永磁驅動電機的電磁-溫度場和電磁-結構-聲場多物理場耦合模擬模型，實現永磁電機的溫升性能和振動雜訊性能分析的流程和具體設置方法。

第9章以雙邊短初級直線感應電機為例，介紹了Maxwell 2D 渦流場和瞬態場、Maxwell 3D 瞬態場有限元模擬分析方法，其中詳細闡述了直線電機定子鐵芯的幾種繪製方式，敘述了有無端部繞組的繪製或生成方法，介紹了直線電機的邊界設置、激勵設置、運動設置等常規前處理過程以及氣隙磁場、次級電密、次級各向受力、電機的推力-速度特性曲線、波動值-速度推力曲線等後處理過程。

本書特色：

① 內容普適度廣，專業聚焦性強。本書既介紹軟體使用的具體方法和步驟，又圍繞電機電磁場、溫度場、結構場、聲場的獨立以及耦合模擬展開，書中案例涉及常見電機電磁及多物理場模擬中的大部分問題。

② 內容可讀性強，使用操作性高。本書採用大量圖示說明，內容翔實、直觀，由淺入深，層層推進，在案例的具體方法和操作中飽含編者多年的軟體使用經驗。

③ 案例覆蓋面廣，既豐富又實用。本書的工程案例涉及變壓器、籠型感應電機、永磁同步電機、直線感應電機等，具有較高的普適性和實用性。

④ 配套資源豐富，易於快速上手。本書所有案例均提供模型檔，針對所有操作步驟錄製有視頻教程，並隨書贈送。

本書由北京交通大學電氣工程學院電機與電器研究所劉慧娟教授課題組編寫：劉慧娟老師負責全書的架構和統籌，張振洋博士撰寫第1、4、7章，宋騰飛博士撰寫第2、3、8章，張千博士撰寫第5、6、9章。在本書編寫以及視頻錄製的過程中，參與具體工作的還有蔔斌彬、王宇、劉博、郭躍。

此外，書中的部分方法來源於微信公眾號“ANSYS Maxwell 大本營”及“西莫論壇”等電機媒體論壇，在此表示感謝。最後還要感謝出版社編輯們的辛苦工作，讓本書能更快地和讀者見面。

由於時間倉促，且筆者水準有限，不妥之處在所難免，敬請廣大讀者批評指正。

編著者