新功能 | Ansys Maxwell 2021 R2 新版功能要点

最新版Ansys Maxwell 2021 R2是2021年的第二个版本，该版本主要增强了以下几点功能：斜极建模功能增强、3D瞬态场求解器支持非线性阻抗边界、DDM(区域分解）自动设置算**能增强、支持温度相关的BH退磁曲线、支持单个物体的涡流损耗和铁耗输出、集成了用于无线充电仿真的3D Components模型库、A-Phi 求解器功能增强、多物理场耦合功能增强 、新3D AC Conduction求解(Beta)、Ansys Maxwell – PHI Mesh、推出电子桌面学生版等等。本文将对上述功能进行简要介绍。

自2021 R2版本开始，软件支持分别设置转子及定子Skew，同时支持多种Skew形式，如Continuous(连续)、Step(一字分段)、V-Shape(V字分段)、User Defined(用户自定义模式，允许用户手动设置任意分段数和skew角度)，其中V形斜极和用户自定义斜极，这对新能源电动汽车电机中的V型斜极等提供了方便，早前版本如用户需要仿真V型分段斜极需要对多个不同算例进行结果后处理得到。

User defined Skew

Maxwell2D Skew功能支持基于MPI的HPC计算，软件把斜极的每个分段的有限元计算分布到不同的HPC计算资源实现并行加速计算。设置方法：Tasks=Cores，Tasks数比分段数大1，同时在Job distribution 中勾选Skew Model。

Tasks=Cores，Tasks数比分段数大1

在Job distribution 中勾选Skew Model

以一个10分段Skew案例为例，软件划分了100048个单元，设置的时间步长为200，得到不同求解方法的仿真计算时间如下表。

从仿真计算时间来看，相比于传统的Sequential方法而言，采用Skew Model (MPI)方法计算时间大大缩短，速度提升近6.2倍。

2021 R2版本将非线性阻抗边界从频域扩展到了时域，求解器采用的高精度创新算法，能大大缩短求解计算时间。对于一些实际的应用如变压器等，采用高效的方法可以考虑非线性材料中的涡流和损耗。

以一变压器为例，3D瞬态场中，早期版本箱体被认为是固体导体，从2021 R2版本开始可以将箱体当作阻抗边界条件，以此来减少网格规模及加速求解速度。

把箱体包含进求解区域和把箱体当成阻抗边界条件两种情况的网格规模及求解时间仿对比如下。

感应电压求解结果对比如下图。

从上述结果来看，把箱体当成阻抗边界条件后，网格规模大大减少，求解时间大幅缩短，求解结果可靠性高。

在DDM(区域分解)算法方面，2021 R2版本支持自动设置求解方法为DDM混合并联，混合并联自动分配硬件资源以提高计算速度，混合并联是内存共享(OpenMP) 和分布内存MPI求解方法的组合，通过混合并联后，HPC性能能够显著提升。对于采用多核计算的大问题，如百万级网格以上的模型好处尤为明显。

上述表格中计算的案例有8416548个网格(8.4 million)，从仿真时间对比来看，相比2021 R1版本而言，2021 R2采用DDM混合并联方法后，速度提高近3倍，有效提高了计算效率。

永磁体在实际运行过程中，在不同温度下的其退磁曲线是不同的。2021 R2版本能够对温度相关的退磁模式进行建模，该功能适用于钕铁硼及铁氧体等所有永磁体类型，使用该功能时，用户需要输入多条不同温度下的退磁曲线。

不同温度下的退磁曲线

2021 R2版本支持单个物体的涡流损耗和铁耗输出，用户可以更加方便精准的查看到某一部件或某一物体的损耗结果，为进一步对其优化设计提供了参考。

设置方法需要在求解设置中勾选Output per object core loss及Output per object solid loss，这样在后处理报告中即可单独显示每个物体的损耗。

勾选Output per object core loss及Output per object solid loss

后处理报告中单独显示每个物体的损耗

无线能量传输(WPT)是指发射和接收单元之间的能量传输，这项技术主要用于对电子设备进行无线充电，比如手机和电动汽车。虽然无线能量传输可以带来多项优势，但它仍面临一些亟待解决的难题，这时就可以借助仿真的力量。Maxwell 2021 R2版本集成了用于无线充电仿真的3D Components模型库，方便用户进行学习及分析，目前该模型库仅支持Maxwell3D涡流场求解器。导入方法：选择菜单Draw -> 3D Component Library -> Browse… 默认路径为C:\Program Files\AnsysEM\AnsysEM21.2\Win64\syslib\3DComponents\Maxwell3D\Qi Wireless Power Transfer System

无线充电仿真3D Components模型库

A-Phi求解器主要是用在开关电源里面或者一些PCB板求解计算当中。2021 R2版本对A-Phi求解器功能也进行了增强，主要包含电容矩阵增强 (DC Static)、支持端口输出电流/电压、支持用户控制程序用于电压/电流激励、支持基于部件或单元（表面和体积）的谐波力计算，包含第三方工具链接接口、支持多物理域仿真时基于时间平均的场量（损耗密度）、支持矢量磁位A用于后处理等等。

电容矩阵增强(DC Static)

端口输出电流/电压

多物理场耦合功能主要增强以下几点。NVH中的DFT窗口函数可选，覆盖更多的实际应用情况；支持任意斜极模型中基于单元的谐波力计算；支持温度相关的多条退磁曲线；为增强型磁致伸缩力模型增加各向异性弹性属性。

2021 R2版本支持转子分段斜极(一字、V字和用户自定义斜极) 的电磁力映射，Maxwell2D skew功能可处理多个slice上的电磁力并自动映射到谐响应, 大幅加快了永磁电机转子分段斜极的NVH分析。软件支持集中力和分布力的加载方式。

一字斜极

多个slice上的电磁力并自动映射到谐响应

ERP求解结果

2021 R2版本新3D AC Conduction求解功能支持非线性材料、各向异性材料、热耦合功能。该功能主要应用在如PCB板、电路参数抽取、有损材料高压应用及医疗应用比如电阻抗断层成像等场合。

各向异性材料避雷器应用

各向异性FR4材料的PCB通孔应用

Maxwell 2021 R2版本中，新增了Phi Mesh网格剖分方法。Phi Mesh特别适合于PCB类平面叠层结构模型，根据此类模型的特点即每一层的厚度相同的特点进行网格剖分，采用先进行面网格剖分，再取点生成体网格的方式，可以提升此类模型的网格剖分效率40-60倍。

Phi Mesh网格剖分方法主要应用于PCB如功率分布分析、电介质击穿分析、因交流损耗产生的温升分析及PCB机械性能和NVH分析等等。

PHI Mesh在PCB分析中的应用

Ansys推出Electronics Desktop学生版产品，让学生群体能够更容易地获取电子仿真软件，为未来工程师推动新一代创新提供所需的技能。此次新发布的学生版软件可让学生免费使用Ansys行业领先的Electronics产品线，进一步丰富且多样化现有的学生产品，诸如Ansys Mechanical、Fluids、Discovery和SCADE产品。

使用Ansys Electronics Desktop学生版产品，学生可通过13种相关的Ansys创新课程（Ansys Innovation Courses）进行课堂内外的自主学习。免费的软件下载和课程不仅能让学生自主学习，同时也方便教育工作者介绍和强化各种物理概念。

Electronics Desktop学生版产品支持Windows系统，按年提供软件，便捷的安装方式。软件包含HFSS、Maxwell、Q3D、Icepak等功能模块，支持Geometry (DXF and STEP) import，支持仿真本地功能，最大支持4核心。需要注意的是，电子桌面学生版存在网格规模限制，同时场后处理也有一定的网格规模限制。

Ansys Electronics Desktop学生版

Ansys Electronics Desktop学生版功能模块