产品
“ ANSYS低压电器仿真解决方案独有的、业界领先的竞争优势有利于企业便捷、高效、高精度、全面地预测和改进低压开关性能，实现从电磁到多物理场耦合设计、从部件到系统集成化设计。”
01技术挑战
低压电器概述
- 电磁机构：作动器
- 执行机构
- 灭弧系统
- 精简化、智能化、通用化，高效率
- 小型化，高可靠性
低压电器所关注的问题
- 电磁优化设计
> 吸合性能、吸合时间
> 剩磁力
- 部件和系统集成化设计
- 强度和刚度
> 外壳、主轴、卡簧、螺栓等
- 寿命、振动和噪声
> 执行机构、传动机构等
> 模态、瞬态响应分析，振动、气动噪声分析
- 发热与散热
> 冷却效果分析
- 灭弧效果
作动器设计挑战
02解决方案
ANSYS集成化设计解决方案
基于ANSYS Workbench的多物理场仿真平台
ANSYS技术优势
- 从部件到系统
- 从单领域到多领域
- 从单物理场到多物理场
- 多场耦合优化设计：提高性价比
- 相关设计工具为业界领先
- 完整的设计解决方案为业界独有
典型应用
- 项目背景
这个项目是ANSYS和TRW合作完成，主要采用ANSYS作动器设计解决方案和流程帮助客户设计和优化产品，包括形状、体积、作用力、闭合时间，以及系统性能等。
- 项目挑战
如何精确预测作动器的瞬态电磁特性，并优化其形状、材料、绕组等，满足电磁力要求的同时最大限度减小闭合时间和体积、成本，至关重要。
- 解决方案
基于ANSYS设计流程，采用Maxwell实现作动器瞬态优化设计，结合Mechanical实现电磁、热、结构耦合设计；结合Fluent实现流体负载力计算；结合Simplorer和Fluent实现系统设计。
- 重要价值
正如TRW的工程师Dave Collins所言，ANSYS解决方案可以帮助客户全面、深入地研究设计参数对作动器瞬态电磁特性的相互影响，便捷地优选出最佳性价比的设计方案，精确预测产品电磁、热、结构、控制性能，缩短研发周期、提高产品竞争力。
- 项目背景
这个项目是ANSYS和Nass Magnet合作完成。主要采用ANSYS作动器设计流程帮助客户实现电磁优化设计、高效热分析、系统性能预测等。
- 项目挑战
如何在有限的研发时间内，高效、便捷地预测作动器的热性能和系统性能，至关重要。
- 解决方案
采用Maxwell实现作动器优化设计，结合Fluent精确计算散热系数，并用于Mechanical电磁、热耦合分析，实现便捷、高效、精确的电磁、热耦合分析；结合Fluent和Simplorer协同仿真，实现高精度系统设计。
- 重要价值
ANSYS解决方案既可帮助客户便捷地优化瞬态电磁性能，又可实现全面的多物理域耦合分析，还可根据客户不同设计阶段的具体需求探索最佳的设计方法和流程，精确预测产品性能的同时，缩短研发周期、提高产品竞争力。
03应用
有限元仿真基本流程
电磁设计——静态、瞬态电磁性能优化
Ansoft桌面在多个平台上保持一致（Maxwell、ePhysics、HFSS、Simpler V8等）。不同的设计类型共存于同一个项目中，这允许不同模拟类型之间的无缝设计流。还显示了一些用于确定设备尺寸或计算线圈性能的设计变量。
二维和三维模型共存，复制/粘贴对象时，与这些对象关联的变量跟随对象，从而增强了复制对象的能力。
Maxwell具有强大的参数化建模功能
- 线圈参数定义成线规的函数
- 基于线圈尺寸自动计算匝数和电阻
设置这些参数扫描以将模拟与测量进行比较。我们测量了：
- 力与间隙（特定电流下）
- 力与电流（特定间隙处）
Maxwell具有强大的开放式材料库
- 支持非线性铁磁材料建模和仿真
- 支持永磁体充磁和退磁分析
- 支持磁滞材料建模和仿真
虽然模拟和测量之间的相关性很好，但在较高的电流和/或较小的间隙处开始出现轻微偏差。这自然要求我们仔细观察BH曲线以及它与受试材料的关系。
瞬态场求解器
- 不同形式的运动
- 涡流效应计算
- 任意类型的激励
现在让我们从静态模拟力转移到实际的瞬态模型，该模型包括运动、涡流效应、电驱动电路和负载。将解决方案类型从“静磁”更改为“瞬态”后，我们可以为运动设置输入数据。我们还可以指定要考虑涡流效应的对象。
我们用我们的设计变量指定了一个电压源，用于匝数、线圈电阻和电压。请注意，磁扩散会影响力的累积，而力的累积只能发生在磁通累积之后。磁扩散是L/R时间常数的函数（激励频率-这里有点不同，因为我们有一个阶跃电压输入和产生的L/R电流上升），磁性材料的电导率，材料的磁导率（设备开始饱和时是非线性的，是时间的函数）和设备的物理尺寸。
不同的电路连接形式
- 可以和Maxwell外电路直接耦合仿真，能够分析更复杂的控制特性，
- 可以直接与Simplorer联合，实现复杂的控制算法
此外，可以通过直接耦合到FEA解决方案的外部定义电路来控制励磁。该电路包括线圈端子之间的齐纳二极管。这两个子电路控制开关的定时。该电路是装置的滞后电流控制，一旦装置关闭，将保持电流在预定义的上下电流值。这允许设备在较低的功率水平下保持关闭，并防止线圈过热。
电流斩波控制
通过与位置曲线（红色）相对应的电流波形（蓝色）中的反电动势下降，可以清楚地看到执行器的关闭。齐纳二极管电流也显示为绿色。
注意，滞后控制将电流保持在控制电路规定的上限和下限范围内。我们还能够指定电路中使用的时间步，独立于FEA时间步，这确保我们捕获迟滞控制的切换瞬间，而不超过或低于电流限制。
作动器究竟采用什么磁极形状才能更好的满足电磁力需求？
- 满足弹簧的特性曲线
优化变量
> Gap
> Core Step Height
> Core Step Radius
> Armature Step Height
> Armature Step Radius
通过在“设计特性”窗口中检查模型中存在的变量，可以选择这些变量进行优化。上图中列出并显示了此优化中使用的变量。
- 支持多种优化算法
> Sequential Nonlinear Programming
> Sequential Mixed Integer Nonlinear Programming
> Quasi Newton
> Patten Search
> Genetic Algorithm
创建新的优化：选择优化类型–此处的列表显示可用的优化类型。在线帮助中有对这些内容的描述，它与我们的应用工程师一起可以为选择使用哪种工具提供一些指导。
通常，我们使用优化来满足成本函数。可以创建一个成本函数来满足电感、力或场值等。此处还显示了带有4个变量的窗口，并指定了最小/最大值。
- 成本函数寻优
以上是模拟结果。成本与迭代的关系图显示了优化的结果。当我们对结果表进行排序时，我们可以选择最低的成本值并找到赢家。
注意：此模拟作为2D分析执行，并解决了50次迭代。每种溶液约需50秒，因此总溶解时间不超过45分钟。这可以在三维模型上执行，但求解时间显然会更长–这将是使用分布式求解的一个很好的候选者。
在本例中，优胜者的设计被导出到此处显示的三维模型中。
- 偏心造成的侧向力
不同形式的偏心
> 整体水平偏移
> 轴向倾斜
侧向力与偏移程度的关系曲线
- 侧向力与偏移大小和衔铁间隙的关系曲线
- 衔铁扭矩与衔铁倾斜角度的关系曲
结构设计——结构、强度、模态分析
典型应用
- 项目描述
分析作动器在启动工况和最大行程工况时的结构强度及其固有频率
- 解决方案
采用Ansys Mechanical软件分析作动器两种工况下的结构强度及固有频率
作动器启动工况时的结构分析，最大位移为0.412mm，最大应力为264.35Mpa
通过模态分析，可以固有频率：
一阶：28.136Hz
二阶：43.26Hz
三阶：94.279Hz
四阶：102.54Hz
五阶：133.55Hz
六阶：163.72Hz
多物理场耦合设计
基于Workbench的电磁力映射流程
基于Workbench的损耗映射流程
- 电弧建模
> 属性为等离子体
- 计算电弧引起的空间磁场分布
> 考虑电弧的位置和形状
> 耦合流体运动和电磁场
> 考虑了材料的非线性特性
- Maxwell/FLUENT 耦合
> 需要UDF实现数据交换
电弧是气体的电气击穿，产生持续的等离子体放电，这是由于电流通过通常不导电的介质（如空气）而产生的。两个金属棒之间的等离子，涉及流体运动和电磁学的耦合。
注：标准麦克斯韦映射功能用于将麦克斯韦量映射到Fluent网格UDF用于将Fluent网格的电导率映射到Maxwell网格
电流从右向左流动。电路已断开（电极已分离）。但是，仍然有电流流过电弧。分流板将电弧赶走并断开电路。
Fluent (WIP)
- RBF Morph/ MDM approach in
04总结
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