所有的发条:新的利兹电线建模和损耗预测在Ansys麦克斯韦万博

对于电磁(EM)设计师和工程师来说，为颠覆性终端产品技术提供未来的电源应用意味着要克服巨大的挑战和需求。在体积更小、重量更轻的设备上提高功率密度和效率是一项艰巨的任务。再加上降低制造成本、使设计可重复使用、确保高热可靠性以及率先进入市场等要求，顶峰看起来可能相当遥远——如果不是完全无法实现的话。

万博Ansys麦克斯韦,用于低频应用的黄金标准2D/3D有限元(FE)电磁场求解器，有助于将这项艰巨的任务缩小规模。这包括通过先进的材料建模能力来预测电磁损耗，这是设计电机、电子变压器、磁电感器和其他电磁功率器件的峰值性能的关键因素。

Maxwell使EM设计师和工程师能够:

• 验证不同的性能参数概念设计
• 确保操作区域的设计效率
• 使用先进的优化算法评估最佳设计
• 通过高性能计算(HPC)进行规模模拟
• 利用降阶模型满足安全目标，实现更完整的驱动分析

哪种损失是哪种损失?

为了计算效率并确保电机、变压器和其他电气设备的高热可靠性，工程师需要了解电磁损耗的来源，然后才能预测它们产生的热量。如果没有这些知识，就很难在设计中建立适当有效的热管理，因为校准虚拟模型需要测量和模拟之间的更多相关性。这在设计过程中引入了更多的迭代，增加了上市时间。

特别令人感兴趣的是Litz线绕组中铜损耗产生的热量。

利兹线是由数百到数千根单独绝缘的铜线束组成的，这些铜线束以电子方式连接在一起，并以统一的模式扭曲或编织在一起。

Litz线绕组广泛用于高频(高达1mhz)磁性元件，以减少工作频率增加时的交流(AC)损耗。

增加的频率阻碍了交流电通过导体，从而导致蒙皮效应和邻近效应造成的电磁损耗。通过将电流同时分布在独立的导线上，利茨绕组减少了由于趋肤效应和接近效应造成的涡流损耗，同时也降低了工作温度。随着越来越多的高功率设计涉及到用由利兹线组成的多导体代替较少的固体导体，准确预测绕组损耗变得极其重要。凭借其新的Litz电线建模功能，Ansys Maxwell 2022 R1，万博可通过Ansys客户门户获得万博该公司现在可以通过温度反馈来预测铜线股结构上的电磁损耗。

更高效的仿真

利茨绕组的优势——通过使电流通过在单一结构中组织的各种细丝或股链拓扑结构来减少交流损耗——使它们更容易受到机械效应的影响。

为了使绕组配置坚固可靠，并确保设备EM性能保持机械完整性，设计人员必须了解绕组配置将如何影响特定设计的操作条件。这包括知道该结构可以携带多少电流，结果会产生多少热量，以及这些热量将如何影响电流的流动。这些信息不仅有助于预测设备性能和缩短总体研发时间，而且还降低了整体设计的附带成本。从长远来看，这意味着一个积极的投资回报(ROI)。

然而，由于Litz线束可以包含数千条小线，因此很难(甚至不可能)使用有限元素明确地对每条线进行建模。通过将每根物理(或本质)导线表示为固体导体来模拟Litz束是可能的，但是FE模拟的痛点是捕获每根固体导线上的交流损耗所需的网格。

在Maxwell中使用Litz线建模功能克服了这个障碍。

麦克斯韦提供了导电区域的精确表示，考虑到引起损耗的交流效应。这大大减少了有限元素和设计未知数的数量，极大地提高了仿真效率。

• Maxwell在设计设置期间生成不同类型的Litz导线拓扑，包括圆形，方形或矩形横截面。
• 它将几何结构离散化，建立了用于频域和时域有限元分析(FEA)的等效搁浅模型。
• 计算电磁损耗并将其映射到温升计算的热设计中，其中电磁和热模块之间共享3D几何形状和材料分配。
• 为了进行新的电磁模拟，将Litz导线的温度映射回Maxwell，并计算由于电导率更新而导致的Litz导线EM损耗。

自动开环电源设计

在Ansy万博s 2022 R1中，Maxwell还采用了2D/3D磁瞬态的系统推回励磁，实现了具有解耦电路/系统输入的自动开环FEA电源设计。这提供的解决方案比闭环分析快一个数量级。

典型的电力驱动系统由能源组件(例如，电池或电网)组成;配电组件(如电缆或母线);电源转换元件(逆变器和变流器);电磁元件(电机、磁致动器、电子变压器、电力变压器);还有一个控制系统来调节整个操作。

在这些拓扑结构中，电磁元件的工作是由从源转移到其终端(绕组)的能量驱动的。电磁元件与其他驱动系统元件的相互作用——例如，通过其开关频率与逆变器的相互作用——会影响其性能。要了解电磁元件的工作条件和损耗，需要具有实际激励的详细有限元分析和传递到终端的能量形式的准确表示。

最详细的信息来自应用闭环分析，其中系统中的能量是基于调节系统运行的反馈来平衡的。今天，这可以作为电路设计之间的联合仿真来完成万博Ansys Twin Builder——它使工程师能够创建基于仿真的数字孪生——以及在Maxwell中的FEA设计。然而，这需要大量的计算时间。此外，随着系统/电路配置和EM组件的几何形状变得更加复杂，计算复杂度也随之增加，这意味着解决方案所需的时间更长。

作为一种替代方案，在Twin Builder中通过电路/系统仿真中的推回励磁执行开环分析，以进行Maxwell瞬态分析，为设计人员在很短的时间内提供所需的答案。这是因为在这种方法中没有考虑系统/电路运行时间以及FEA和电路求解器之间的数据交换。

通过测量整个电路/系统拓扑中的任何瞬态波形，Twin Builder可以自动分配麦克斯韦瞬态设计的激励条件。使用该波形作为绕组激励，Maxwell可以对2D或3D设计进行时间步进分析。

在麦克斯韦中使用推回激励的一个主要优点是使用时域方法(TDM)作为HPC来加快有限元求解的速度。

无缝的兼容性

除了Twin Builder之外，Maxwell还与Ansys的其他产品无缝集成，以改善整体设计工作流程。万博网万博

例如，使用Maxwell with万博Ansys Motor-CAD帮助优化电机设计性能。此外，将软件与万博Ansys机械，万博Ansys CFD解决方案，万博Ansys Icepak,或万博Ansys optiSlang支持复杂的热和冷却管理，噪声-振动-粗糙度分析，以及更好的设计可靠性研究。

下载最新版本的Ansys Maxwell万博要获得这些强大的新功能，不要忘记注册我们的2022 R1麦克斯韦网络研讨会．