ANSYS Maxwell+Workbench 2021 电机多物理场耦合有限元分析从入门到工程实战

在万物皆可互联的今天，对各种电气设备和装置进行电磁性能优化设计时，只考虑和利用电磁场仿真软件或模块是远远不够的，还需要综合考虑温度场、结构场、声场等多物理场的耦合影响。

“工欲善其事，必先利其器！”

ANSYS Maxwell Workbench 2021 正是这样一款能提供电磁场、温度场、结构场、声场等多物理场单独以及耦合计算的仿真软件。

本书旨在介绍该软件的基本操作以及工程应用的相关技巧。本书分为上、下两篇，上篇为基础操作篇，包含第1～4章；下篇为工程实例专题分析篇，包含第5～9章。

第1章介绍有限元基本内容，ANSYS 有限元软件及旗下Electronics Desktop、Workbench平台的运行界面，电磁有限元仿真和多物理场耦合仿真的一般流程。

第2章详细介绍ANSYS Maxwell 2D/3D 自下而上的模型绘制建模方法、常用的UDP 用户自定义几何建模方法、参数化建模方法、几何模型导入建模方法和RMxprt 常见电机快速建模方法等。

第3章主要讲述ANSYS Maxwell 2D/3D 模型在不同求解场的前处理过程及步骤，包括求解类型的选择、模型的材料库以及材料属性设置、运动部件设置、网格划分方法、激励及边界条件设置、特定求解参数设定等。

第4章主要阐述了ANSYS Maxwell 2D/3D 求解参数设置方法和后处理过程。求解参数设置方法包括稳态求解器（静电场、静磁场、直流传导电场）、频域求解器（涡流场、交变电场）和瞬态求解器（瞬态场）的参数设置方法和技巧；后处理过程包括查看求解数据、创建求解报告、场量图和动画绘制、查看参数化求解结果、场计算器后处理使用方法等。

第5章以静磁场为基础，针对通电线圈中铁磁材料的受力分析和永磁体与通电线圈的相互作用力分析两个案例，详细介绍其2D/3D 静磁场仿真模型的建立、求解域设置、激励设置、边界条件设置以及力/转矩等参数的设置方法，并给出了查看计算结果的方法。

第6章以10kV 三相油浸式变压器为例，详细介绍变压器3D 瞬态场有限元仿真模型的建立及模型前处理、求解和后处理设置。并且介绍了利用Simplorer 仿真模块，搭建变压器空载、短路、负载工况的场路联合仿真模型和查看相应的电压波形、电流波形、损耗曲线以及场分布结果等。

第7章以4 极30kW 笼型铜条转子感应电机为例，系统讲解了如何使用RMxprt 进行建模、参数设置并执行快速的电磁性能计算，然后通过RMxprt 导出模型，完成ANSYS Maxwell 2D 和3D 电磁场模型搭建，材料、边界设置等前处理进程以及气隙磁密求取，转矩等特性曲线输出，场图绘制，效率等Map 图生成等后处理过程，终结合Motor-CAD，介绍了Motor-CAD 电磁-温度场耦合仿真计算的方法。

第8章以一台8 极30kW 新能源车用V 型磁钢内置式永磁同步电机为例，介绍了如何通过RMxprt 模块一键建模功能和UDP 快速绘制功能建立Maxwell 2D 仿真模型，并查看具体的空载和带载性能结果。讲解了利用ANSYS-optiSlang 优化插件，实现电机电磁性能灵敏度分析和多目标优化方法。后阐述了利用Workbench 仿真平台，搭建车用永磁驱动电机的电磁-温度场和电磁-结构-声场多物理场耦合仿真模型，实现永磁电机的温升性能和振动噪声性能分析的流程和具体设置方法。

第9章以双边短初级直线感应电机为例，介绍了Maxwell 2D 涡流场和瞬态场、Maxwell 3D 瞬态场有限元仿真分析方法，其中详细阐述了直线电机定子铁芯的几种绘制方式，叙述了有无端部绕组的绘制或生成方法，介绍了直线电机的边界设置、激励设置、运动设置等常规前处理过程以及气隙磁场、次级电密、次级各向受力、电机的推力-速度特性曲线、波动值-速度推力曲线等后处理过程。

本书特色：

① 内容普适度广，专业聚焦性强。本书既介绍软件使用的具体方法和步骤，又围绕电机电磁场、温度场、结构场、声场的独立以及耦合仿真展开，书中案例涉及常见电机电磁及多物理场仿真中的大部分问题。

② 内容可读性强，使用操作性高。本书采用大量图示说明，内容翔实、直观，由浅入深，层层推进，在案例的具体方法和操作中饱含编者多年的软件使用经验。

③ 案例覆盖面广，既丰富又实用。本书的工程案例涉及变压器、笼型感应电机、永磁同步电机、直线感应电机等，具有较高的普适性和实用性。

④ 配套资源丰富，易于快速上手。本书所有案例均提供模型文件，针对所有操作步骤录制有视频教程，并随书赠送。

本书由北京交通大学电气工程学院电机与电器研究所刘慧娟教授课题组编写：刘慧娟老师负责全书的架构和统筹，张振洋博士撰写第1、4、7章，宋腾飞博士撰写第2、3、8章，张千博士撰写第5、6、9章。在本书编写以及视频录制的过程中，参与具体工作的还有卜斌彬、王宇、刘博、郭跃。

此外，书中的部分方法来源于微信公众号“ANSYS Maxwell 大本营”及“西莫论坛”等电机媒体论坛，在此表示感谢。后还要感谢出版社编辑们的辛苦工作，让本书能更快地和读者见面。

由于时间仓促，且笔者水平有限，不妥之处在所难免，敬请广大读者批评指正。

编著者

本书从基础操作入手，通过工程应用实例对ANSYS Maxwell 2021电磁场及Workbench 2021多物理场仿真平台的使用方法和技巧做了系统的介绍。全书分为上、下两篇：上篇为基础操作篇，主要包括有限元仿真分析的一般流程、ANSYS Maxwell几何建模的方法、模型通用前处理、求解和后处理的设置方法及技巧；下篇为工程实例专题分析篇，通过具体案例讲解2D/3D静磁场、2D涡流场、2D/3D瞬态电磁场、电路-电磁耦合场、电磁-热耦合场、电磁-结构-声耦合场等常见电机电磁场及多物理耦合场仿真的思路、详细步骤和应用技巧。本书配备所有工程案例的模型文件，并专门制作了软件操作视频，读者可扫描书中二维码获取相关内容。本书既可以作为工程技术人员、科研人员等高阶读者灵活使用ANSYS Maxwell软件的参考资料，也可作为理工科院校相关专业本科生、研究生的教材。

刘慧娟，北京交通大学电气工程学院教授、博士生导师。长期从事电机及其控制领域的教学与科研工作，每年主讲本科生和研究生多门课程：“电机学”“电机设计”“交流电机系统分析”“电机分析与设计仿真软件应用实践”“电机电磁场计算”等。主持开设的本科生“电机学”课程被评为北京交通大学校级精品课程，并在中国大学MOOC上在线开课四期，主持开设的研究生课程“交流电机系统分析”被评为北京交通大学优质核心课程。主持多项教学研究项目，并获教学成果奖多项。曾分别到美国俄亥俄州立大学和香港理工大学做访问学者。主持和参与多项国家自然科学基金项目和省部级科研项目，特别对各种新结构电磁设备的设计与制造、电磁场性能的计算与分析等有深入的研究，发表相关科技论文100余篇。

上篇 基础操作篇

第1章 有限元分析及ANSYS Maxwell/Workbench 2021 概述  002

1.1 有限元法简介  002

1.2 有限元法基本思想及求解步骤  002

1.3 有限元分析的发展趋势及FEA 软件  003

1.4 ANSYS 简介  004

1.5 ANSYS Electronics Desktop 2021 平台 005

1.5.1 项目新建及保存  006

1.5.2 Maxwell 基本运行界面  006

1.5.3 项目列表常用操作  007

1.5.4 ANSYS Maxwell 电磁场有限元仿真的一般流程  008

1.6 ANSYS Workbench 2021 平台及模块  009

1.6.1 Workbench 基本运行界面  009

1.6.2 模块区基本操作  009

1.6.3 ANSYS Workbench 多物理场耦合仿真的一般流程  015

第2章 ANSYS Maxwell 几何建模方法  018

2.1 坐标系简介    018

2.1.1 相对坐标系的创建  019

2.1.2 表面坐标系的创建  020

2.1.3 实体坐标系的创建  021

2.2 基本模型绘制方法  022

2.2.1 点、线、面、体的绘制    022

2.2.2 螺旋线的绘制  023

2.2.3 参数方程曲线的绘制  024

2.3 几何操作方法  025

2.3.1 布尔运算  025

2.3.2 等比例放大/缩小和拉伸、扫描  027

2.3.3 位置变换和复制  029

2.3.4 倒角和圆角    030

2.4 UDP 快速建模方法  031

2.5 参数化方法在建模中的运用  035

2.6 外部几何模型导入方法  035

2.7 RMxprt 一般电机模型快速建模法  036

2.7.1 模型选择  037

2.7.2 参数设定  037

2.7.3 模型生成  046

2.7.4 RMxprt 自定义槽形  048

第3章 ANSYS Maxwell 2D/3D 通用前处理流程  051

3.1 建立模型  051

3.2 设定求解类型 051

3.3 常见材料设置  053

3.3.1 材料库简介. 053

3.3.2 铁磁材料的添加  053

3.3.3 永磁材料的属性设置  056

3.3.4 导体材料的属性设置  060

3.3.5 考虑温度修正的材料参数化设置  061

3.4 设定运动区域  065

3.4.1 普通旋转电机运动设置    065

3.4.2 直线电机运动设置  066

3.4.3 多区域运动设置  068

3.4.4 三维模型运动边界  068

3.5 网格的类型及划分策略  069

3.5.1 网格划分默认设置  069

3.5.2 基于表面/内部网格剖分  071

3.5.3 曲线及曲面网格剖分  073

3.5.4 网格克隆  074

3.6 激励源设置    078

3.6.1 电流激励  078

3.6.2 电压激励  081

3.6.3 外电路激励  081

3.7 边界条件设定  082

3.7.1 常见边界条件分类  082

3.7.2 不同边界条件的适用范围  083

3.7.3 各边界条件的使用方法  084

3.8 自定义监测参数设定  087

3.8.1 电感参数  087

3.8.2 非直接求解模型受力/转矩参数  087

第4章 求解及后处理  089

4.1 求解参数设置  089

4.1.1 稳态求解器    089

4.1.2 频域求解器    092

4.1.3 时域求解器    094

4.2 结果后处理    097

4.2.1 查看求解数据  097

4.2.2 生成结果报表  098

4.2.3 绘制场量图    102

4.2.4 场图动画生成及不同参数下结果查看  104

4.2.5 场计算器简介及基本操作  106

4.2.6 场计算器自定义结果输出  108

下篇 工程实例专题分析篇

第5章 静磁场仿真分析  112

5.1 实例描述 112

5.2 二维静磁场    112

5.2.1 模型创建  112

5.2.2 设置求解域    113

5.2.3 设置激励  114

5.2.4 边界条件和力参数设置    115

5.2.5 求解设置  115

5.2.6 求解数据  115

5.3 三维静磁场    117

5.3.1 模型设置  117

5.3.2 激励设置  118

5.3.3 设置求解域  119

5.3.4 设置扭矩参数  119

5.3.5 分析和结果  119

第6章 油浸式变压器不同工况下电磁及Simplorer 场路耦合仿真  121

6.1 实例描述及仿真策略  121

6.2 变压器电磁场仿真分析  121

6.2.1 模型建立及前处理  121

6.2.2 计算结果查看  125

6.3 基于Simplorer（Twin Builder）的变压器场路耦合仿真  125

6.3.1 Simplorer 基本运行界面  126

6.3.2 空载工况仿真分析  127

6.3.3 短路工况仿真分析  129

6.3.4 负载工况仿真分析  129

第7章 笼型转子感应电机快速电磁计算及电磁-温度场耦合仿真  131

7.1 实例描述及仿真策略  131

7.2 RMxprt 快速建模及电磁性能计算  131

7.2.1 模型选择及基础参数设置  131

7.2.2 激励及求解参数设定  137

7.2.3 电磁计算结果及特性曲线查看  138

7.3 ANSYS Maxwell 2D 有限元模型电磁场仿真分析  144

7.3.1 RMxprt 一键导出建模 144

7.3.2 边界条件、激励设置、网格划分等前处理  151

7.3.3 电感及二维斜槽求解设定 156

7.3.4 求解设置及常规结果查看  157

7.3.5 气隙磁密求取及FFT 分析  162

7.3.6 多模型多工况参数化批量求解方法    165

7.3.7 基于ACT 插件生成效率Map 图  168

7.4 ANSYS Maxwell 3D 有限元模型电磁场仿真分析  172

7.4.1 RMxprt 一键导出建模    172

7.4.2 前处理及求解设置  173

7.4.3 结果输出及后处理  177

7.5 基于Motor-CAD 的感应电机电磁、热分析和效率Map 图计算  179

7.5.1 Motor-CAD 基本界面及介绍  180

7.5.2 电磁性能求解  183

7.5.3 稳态温升求解  188

7.5.4 瞬态温升求解  196

7.5.5 效率Map 图计算  198

7.5.6 路谱图求解  201

第8章 内置式永磁同步电机电磁-温度-结构多场耦合仿真  204

8.1 实例描述及仿真策略  204

8.2 RMxprt 快速建模及电磁性能计算  205

8.2.1 模型选择及基础参数设置  205

8.2.2 激励及求解参数设定  208

8.2.3 电磁计算结果及特性曲线查看  208

8.3 ANSYS Maxwell 2D 有限元模型电磁场仿真分析  213

8.3.1 RMxprt 一键导出建模  213

8.3.2 基于UDP 的永磁同步电机Maxwell 2D 几何建模  213

8.3.3 空载工况气隙磁场及空载感应电势谐波提取  224

8.3.4 空载齿槽转矩的计算  228

8.3.5 带载工况下电磁转矩、功率计算方法及磁场分析  229

8.3.6 交直轴电流、电感、磁链计算  231

8.3.7 基于参数化扫描的电机转矩-功角特性曲线  233

8.3.8 基于参数化扫描的空载反电势-转速特性曲线  236

8.3.9 基于参数化扫描的转子结构尺寸对电机性能影响分析  238

8.3.10 基于ACT 插件生成效率Map 图  243

8.3.11 永磁体抗退磁能力模拟计算    246

8.4 ANSYS optiSLang 模块在永磁同步电机优化的应用  250

8.4.1 ANSYS optiSLang 模块介绍  250

8.4.2 基于Workbench 平台的Maxwell 参数化模型建立    251

8.4.3 基于optiSLang 和Workbench 平台的电机参数灵敏度分析  255

8.4.4 基于optiSLang 和Workbench 平台的电机多目标优化设计  259

8.5 基于Maxwell-Fluent 的永磁同步电机电磁-热耦合仿真方法  263

8.5.1 电磁-热耦合仿真模型的建立  263

8.5.2 Maxwell 2D 电磁场损耗求解  264

8.5.3 流体场模型导入和剖分设置  265

8.5.4 气隙的等效处理及其热导率的计算    268

8.5.5 定子绕组、漆膜及槽绝缘层热导率等效、装配间隙热阻等效  269

8.5.6 Fluent 3D 仿真计算设置  272

8.5.7 计算结果及后处理  278

8.6 基于Workbench 永磁同步电机振动噪声特性多物理场耦合仿真  279

8.6.1 电机振动噪声的产生方