詳解Maxwell?電磁仿真過程與結(jié)果

軟件簡介：ANSYS Maxwell（ANSYS EM）是在電磁領(lǐng)域應用非常廣泛的軟件。始于2003年的Ansoft軟件，現(xiàn)已被ANSYS公司收購。普遍應用于傳感器，電機，變壓器、電抗器、電磁閥、繼電器、電磁制動器等行業(yè)。

ANSYS收購后的Maxwell不僅繼續(xù)提升自身模塊性能，還可以與ansys其他模塊如結(jié)構(gòu)、流體、熱分析模塊進行多物理場聯(lián)合仿真，解決工業(yè)應用中更復雜的問題。

本次以平面變壓器為作為典型案例演示Maxwell電磁仿真及多物理場仿真的基本流程。

平面變壓器簡介：通訊及伺服控制領(lǐng)域廣泛使用模塊電源，產(chǎn)品微型化設(shè)計對變壓器提出了更嚴格的要求，如小尺寸、低剖面、大輸出電流、小電磁輻射。傳統(tǒng)變壓器已經(jīng)成為制約開關(guān)電源技術(shù)進一步發(fā)展的一個重要因素。

平面變壓器由于體積小，工作頻率高，高頻寄生參數(shù)得到了很大的降低，近年來在開關(guān)電源中得到了廣泛應用。其中PCB型平面變壓器可以省去繞組骨架，電流密度最高可達20A/mm，功率大、工藝簡單。隨著電子、信息技術(shù)向微型化發(fā)展的趨勢，未來平面變壓器必然成為變壓器、變流器、電感器的首選。

案例仿真需求背景簡介：利用Maxwell計算各個繞組的歐姆損耗，鐵心損耗，初級等效漏感及各繞組等效電阻，評估PCB布銅的合理性

利用Fluent或Icepack計算繞組的溫升及磁芯的運行溫度，根據(jù)溫度分布及最高溫升點評估溫度安全裕度。

仿真前的準備工作：

（1）模型及數(shù)據(jù)

磁芯尺寸及PCB繞組匝數(shù)、布銅位置及覆銅厚度等模型尺寸數(shù)據(jù)，本案例中PCB初級繞組為2層，第一層1匝線圈，第二層2匝線圈。次級繞組為2層，第一層4匝線圈，第二層5匝線圈。磁芯為TDK公司的PC95材質(zhì)的磁芯，尺寸如下：

（2）參數(shù)與條件

反激電路參數(shù)、磁芯的材料性能數(shù)據(jù)，包括BH曲線、BP曲線、導熱系數(shù)。

磁芯材料參數(shù)如下：

（3）軟件與硬件

Ansys Maxwell及Fluent或Icepack、32核、64G內(nèi)存圖形工作站

（4）其他準備

印制電路板生產(chǎn)商為設(shè)計提供可制造性方面的評估

仿真流程：

本例仿真基本流程如下：

（1）搭建幾何模型

PCB繞組有不同的簡化方式，不同模型簡化方式對等效漏感及溫升計算精度有較大的影響。不合理的簡化方式影響PCB繞組的布銅及對PCB及磁芯溫升的評估并影響變壓器設(shè)計的合理性。本例簡化后的模型如下：

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（2）設(shè)置材料參數(shù)

根據(jù)材料提供的參數(shù)轉(zhuǎn)換為軟件中可以接受的參數(shù)。

（3）建立激勵：根據(jù)反激電路及參數(shù)在軟件中搭建如下圖所示的外電路模型。

（4）設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)及求解參數(shù)：創(chuàng)建靜態(tài)仿真模型并生成自適應網(wǎng)格，瞬態(tài)仿真導入靜態(tài)仿真模型的自適應網(wǎng)格，查看電流波形，確保外電路的正確性。

網(wǎng)格及仿真參數(shù)如下圖所示：

（5）結(jié)果后處理：根據(jù)仿真要求分別查看鐵損曲線、銅損曲線并計算平均值、B及H云圖等。

（6）根據(jù)上述損耗計算溫升及溫度分布：溫升的計算需要和Fluent進行聯(lián)合仿真。在Workbench中搭建如下圖所示的仿真流程框圖。將模型導入Mesh模塊，針對溫度場仿真進行模型前處理并劃分網(wǎng)格。

（7）導入損耗數(shù)據(jù)：將Maxwell中的損耗數(shù)據(jù)通過EM Mapping導入到Fluent中。修改自然對流散熱相關(guān)選項。

（8）Fluent仿真對材料參數(shù)設(shè)置、邊界條件和求解器選項有不同的設(shè)置要求，按下圖修改材料參數(shù)、邊界條件及求解器相關(guān)選項。

（9）fluent結(jié)果后處理：查看磁芯及繞組的溫度分布。

（10）拓展

本例使用的是手工建模仿真，在Maxwell軟件中還提供了用于平面變壓器仿真的ETK插件。

使用ETK插件，先建立與仿真模型形狀及尺寸近似的模型，再修改模型能極大的提升建模效率。插件界面及設(shè)置參數(shù)如下圖所示：

編輯：lyn