所有的缠绕:新的Litz线建模和损失预测在Ansys Maxwell

对于电磁(EM)设计师和工程师来说，为颠覆性的终端产品技术提供未来的电力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相当艰巨的任务。再加上降低制造成本的要求，使设计可重复使用，确保高热可靠性，并首先进入市场，顶峰似乎相当遥远——如果不是完全无法达到的话。

Ansys麦克斯韦,用于低频应用的金标准2D/3D有限元(FE)电磁场求解器，有助于将这一艰巨的任务缩小规模。这包括通过先进的材料建模能力预测电磁损耗，这是设计电动机、电子变压器、磁感应器和其他电磁功率设备峰值性能的关键因素。

Maxwell使EM设计师和工程师能够:

• 验证不同概念设计的性能参数
• 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
• 使用降阶模型进行更完整的驱动分析以满足安全目标

哪个损失是哪个损失?

为了计算电机、变压器和其他电气设备的效率并确保高热可靠性，工程师需要了解电磁损失的来源，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和有效的热管理，因为测量和模拟之间需要更多的相关性来校准虚拟模型。这在设计过程中引入了更多的迭代，增加了推向市场的时间。

特别令人感兴趣的是利茨线绕组中铜损失产生的热量。

利茨线由成百上千根单独绝缘的铜线组成，以电子方式连接，并以统一的模式扭曲或编织在一起。

利茨线圈广泛用于高频(高达1 MHz)磁性元件，以减少工作频率增加时的交流(AC)损耗。

增加的频率阻碍交流通过导体，导致电磁损失从皮肤和接近效应。通过同时将电流分布在其独立的股之间，利茨绕组减少了由表皮效应和接近效应引起的涡流损失，同时也降低了工作温度。随着更多大功率设计涉及用利茨线组成的多个导体取代较少的固体导体，准确预测绕组损耗变得极其重要。随着其新的Litz线建模功能，Ansys Maxwell 2022 R1，可通过Ansys客户门户网站获得，现在可以预测电磁损失的铜线股配置与温度反馈。

更高效的模拟

利茨绕组的优势——通过使电流通过以单一结构组织的各种细丝或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。

为了使绕组配置健壮可靠，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。这包括知道配置可以携带多少电流，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削减总研发时间，而且还减少了整体设计的附带成本。从长远来看，这意味着积极的投资回报(ROI)。

然而，由于一个利茨线束可以包含数千条小股，因此很难(甚至不可能)使用有限元素显式地建模每条股。通过将每根物理(或本构)导线表示为固体导体，可以对Litz束进行建模，但FE模拟的痛点是捕获每根固体导线上的交流损失所需的网格。

使用Maxwell中的Litz线建模功能可以克服这个障碍。

麦克斯韦提供了导电区域的精确表示，说明了导致损耗的交流效应。这大大减少了有限元和设计未知数的数量，极大地提高了模拟效率。

• Maxwell生成不同类型的Litz导线拓扑结构，包括圆形、方形或矩形截面。
• 它离散了几何图形，并创建了用于频域和时域有限元分析(FEA)的等效链模型。
• 计算电磁损耗并将其映射到用于温升计算的热设计中，其中三维几何结构和材料分配在电磁模块和热模块之间共享。
• 将Litz线温度映射回Maxwell进行新的电磁模拟，并计算由于更新电导率引起的Litz线电磁损失。

自动开环电源设计

借助Ansys 2022 R1, Maxwell还采用了系统反推励磁用于2D/3D磁瞬态，实现了具有解耦电路/系统输入的自动化开环FEA电源设计。与闭环分析相比，这提供了一个数量级的解决方案。

典型的电力驱动系统包括一个能源组件(例如，电池或电网);配电组件(如电缆或母线);功率转换元件(逆变器、变换器);电磁元件(电机、磁力执行器、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，电磁元件的运行是由从源传输到其终端(绕组)的能量驱动的。电磁组件与其他驱动系统组件的相互作用-例如，通过其开关频率与逆变器-影响其性能。为了了解电磁组件的运行条件和损耗，需要详细的有限元分析，并具有真实的激励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，在闭环分析中，系统中的能量是基于调节系统运行的反馈来平衡的。今天，这可以作为一个联合仿真电路之间的设计Ansys Twin Builder-这使得工程师能够创建一个基于模拟的数字双胞胎-以及Maxwell的FEA设计。然而，这需要相当多的计算时间。此外，随着EM组件的系统/电路配置和几何形状变得越来越复杂，计算复杂性也随之增加，这意味着解决问题所需的时间甚至更长。

作为一种替代方案，通过Twin Builder中的电路/系统仿真中的推回激励来执行开环分析，以Maxwell瞬态分析为设计人员提供他们所需的答案，只需一小部分时间。这是因为在这种方法中不考虑系统/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/系统拓扑结构中的任何瞬态波形，Twin Builder可以自动分配麦克斯韦瞬态设计的激励条件。利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Maxwell中使用反推激励的主要优点之一是使用时域方法(TDM)作为HPC来加快有限元分析的求解速度。

无缝的兼容性

除了Twin Builder, Maxwell还与其他Ansys产品无缝集成，以改善整体设计工作流程。

例如，用MaxwellAnsys Motor-CAD有助于优化电机设计性能。此外，集成软件与Ansys机械，Ansys CFD解决方案，Ansys Icepak,或Ansys optiSlang实现复杂的热和冷却管理、噪声-振动-严酷度分析以及更好的设计可靠性研究。

下载Ansys Maxwell的最新版本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．