ANSYS Maxwell 3D线圈磁场仿真分析

原创 已于 2022-10-21 17:27:52 修改 · 3.3w 阅读 · 193 ·
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#Maxwell #三维线圈磁场 #有限元分析

于 2022-10-21 17:27:07 首次发布
本文详细介绍了如何在Maxwell软件中建立3D线圈模型进行磁场仿真的全过程，包括几何模型建立、赋予材料、分割载流截面、设置电流激励和边界条件、求解设定以及结果展示。通过此过程，可以对复杂3D线圈的磁场分布进行精确分析。

前面介绍了Maxwell软件建立2D线圈磁场仿真，有些时候3D线圈不能简化为二维情况，这时候就需要建立完整三维线圈模型，基本的分析与二维线圈磁场仿真类似，主要区别在于需要自己分割出载流截面。下面进行具体介绍。

1. 几何模型建立

建立如下图所示线圈几何模型，可以用三维建模软件建立然后再导入Maxwell，也可以直接在Maxwell软件中建立，由于模型较简单，本文直接在Maxwell软件中建立几何模型。如下图所示。其中线圈外径为40mm，内径为32mm，高度为30mm。

 2. 赋予材料

 3. 分割出载流截面

 沿着YZ平面分割线圈

 将分割出来的截面分离

 分离之后，删除其中一个，保留一个截面即可。

4. 设置电流激励和边界条件

选择截面设置电流激励，电流大小为1A（安匝数），类型选择绕组（Stranded）,载流导体分为绕组和实体，这里选择绕组。

 选择空气域面设置磁通平行边界条件

 5. 求解设定，采用默认配置

 6 设置空气域网格尺寸

 7.结果展示

磁场强度矢量图

 磁场强度云图

 线圈中部路径上的磁场强度变化

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在ANSYS Maxwell 3D中进行线圈的电磁仿真，涉及几何建模、材料定义、边界条件设置、激励源设置、网格划分以及求解设置等多个步骤。以下是一个完整的操作流程： ### 3D线圈电磁仿真的基本步骤 #### 1. 几何模型建立 首先需要在Maxwell 3D中建立线圈的三维几何模型。线圈可以是简单的螺旋结构，也可以是复杂形状的绕组。使用Maxwell内置的建模工具（如拉伸、旋转、扫掠等）创建线圈主体。对于复杂结构，可以导入CAD模型（如STEP或IGES格式）[^1]。 #### 2. 材料属性定义 为线圈和周围介质分配合适的材料属性。线圈通常使用铜或铝，需设置其电导率和相对磁导率。空气或绝缘材料则设置为非导电材料。对于磁性结构（如铁芯），应选择磁性材料并定义其B-H曲线。 #### 3. 设置边界条件 根据仿真需求设置适当的边界条件。常用的边界条件包括： - **Balloon边界**：用于模拟开放边界，适用于辐射场问题。 - **Master/Slave边界**：用于周期性结构。 - **Perfect E或H边界**：适用于理想导体或磁场边界。 #### 4. 定义激励源 在线圈仿真中，激励源通常为电流密度或电压激励。对于线圈，一般使用**电流源**（Current Excitation），可以指定总电流或电流密度。如果线圈是多匝结构，需合理分配电流密度以反映实际绕组情况[^1]。 #### 5. 网格划分 网格划分对仿真精度至关重要。对于线圈区域和磁场变化剧烈区域，应进行局部加密。可以使用自动网格划分，也可以手动设置网格尺寸控制。建议对线圈导体区域设置较小的网格尺寸以提高精度。 #### 6. 求解设置 选择合适的求解器类型： - **稳态求解器（Magnetostatic）**：用于直流磁场分析。 - **瞬态求解器（Transient）**：用于时间域分析，适用于交变电流或动态磁场。 - **涡流求解器（Eddy Current）**：用于交流磁场和涡流损耗分析。 设置求解频率（如适用）、收敛标准、迭代次数等参数。 #### 7. 后处理与结果分析 仿真完成后，可查看磁场分布、磁通密度、电流密度、电感值、力等物理量。可以通过以下方式展示结果： - 绘制磁场线（Field Lines） - 显示磁通密度矢量图（B-Field Vector Plot） - 计算线圈电感（Inductance Matrix） - 提取端口参数（如S参数） --- ### 示例代码：线圈电感提取设置（Maxwell 3D脚本化操作） ```python # 使用Maxwell 3D的API进行电感提取设置（示例） oProject = oDesktop.NewProject() oDesign = oProject.AddDesign("Maxwell3D", "CoilSimulation", "Magnetostatic", "") oEditor = oDesign.SetActiveEditor("3D Modeler") # 创建线圈几何体（示例为圆柱螺旋线圈） oEditor.CreateHelix( [ "NAME:HelixParameters", "XCenter:=", "0mm", "YCenter:=", "0mm", "ZCenter:=", "0mm", "Radius:=", "10mm", "Height:=", "50mm", "Pitches:=", "5", "Turns:=", "10", "WireDiameter:=", "2mm" ], [ "NAME:Attributes", "Name:=", "Coil", "Material:=", "copper" ] ) # 设置激励源 oDesign.AssignCurrent( [ "NAME:Current1", "Objects:=", ["Coil"], "Current:=", "1A", "IsPositive:=", True ] ) # 设置求解参数 oDesign.AnalyzeAll() # 提取电感 oDesign.GetInductanceMatrix() ``` --- ###
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