零基础入门Ansys Maxwell低频电磁仿真教程

现如今随着仿真技术在工业产品中的应用，大量的仿真软件涌出，其中包含了成熟的国外商业软件和处于完善阶段的国产自主软件。工业软件按照学科分类可以分为流体、结构、电磁、声学和光学等不同领域，用于解决不同的工业问题。深入研究电磁软件，按照应用方向分类，电磁软件又分为高频和低频两大类。

高频软件主要面向电子、雷达等需要考虑电磁波辐射的行业，低频软件则更多考虑电磁能向其它形式能量转换的过程，即电磁感应，例如电能转机械能的电机、电能转热能的电磁加热设备等。

今天我们主要来介绍低频电磁软件的基本组成和相应的行业应用。

写在文前

在近10年的低频电磁培训与客户交流中发现，用户认知容易被市面上的宣传资料束缚，认为低频电磁软件只有如ANSYS Maxwell、Altair Flux等基于有限元的算法，而没有从整体进行全局了解。

把时间拨回到本科教学，电气工程专业教学的核心学科有电路、电磁场理论、电力电子、模拟电子技术、数字电子技术以及电机学和电力系统等，从教学来说，电气工程专业中最先引入的课程是电路，进而才会是模电、数电、电磁场和面向工业品的电机学，设计了由电路到电磁场再到磁路的由浅入深的教学体系，这也是低频电磁仿真中最核心的三个方面即电路、磁路和电磁场。

再回到工业软件看，有限元算法真的可以在电磁场仿真中包打天下么？笔者并不这样认为。基于磁路法的电机和电力变压器设计方法早已在国内外应用了几十年至今仍可以解决设计初期的快速选型问题。基于电路法的电机控制算法、DCDC控制算法合理性验证，阻抗计算，传导干扰分析也是对系统进行剖析的重要手段。而有限元方法只是对系统中部件进行精确建模和准确分析的重要手段。可以看出，无论是电路、磁路还是电磁场在低频电磁仿真领域都有用武之地。

电磁场在低频电磁仿真应用

电路、磁路和电磁场算法不仅可以各自独立解决产品设计问题，还可以联合起来分析更为复杂的系统问题。例如永磁电机的矢量控制，以往采用Simulink软件搭建准确的控制电路逻辑，电机使用磁路法建模，控制器与电机的联合仿真就是电路法与磁路法的结合。

在计算机技术和有限元算法发展的同时，电机建模也从等效的磁路法向准确的有限元法过渡，形成了从十几年前至今比较流行的“场路耦合”方法。场路耦合方法的核心是将有限元抽为等效电路，将电路激励推给有限元做矩阵计算，这一来一回便是场和路的完美结合，即双向强耦合。场路耦合方法在分析带有控制器的电气设备时展现了良好的性能，一方面可以根据结果对控制算法做修正，另一方面也可以知道电流馈入设备后设备中的电磁场分布与外特性结果，可以同时关注电路与设备的优化。

但是在场路耦合中，一个核心的问题无法解决，就是求解速度。场路耦合中的半导体器件开断频率往往在kHz，为了保证采样精度计算时间需要为微秒级，这样就会导致有限元计算量巨大，且时间很长，即使采用了有限元瞬态计算加速也无法在短时间内完成计算。

计算缓慢的问题在电器部件模型变的复杂后更为凸显，此时，研究人员提出了模型降阶的概念来解决这个问题。降阶为更高级的智能算法，主要思想是采用拟合方法（如响应面、机器学习等）对设备外特性进行采样、学习与预测，实时输出电机的外特性参数，避免了每次都要重新求解矩阵，解决了计算缓慢的问题。

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