Ansoft_Maxwell 简介
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浅谈Ansoft_Maxwell软件（论文资料）
浅谈Ansoft Maxwell软件在小型化真空灭弧室绝缘优化设计中的应用引言随着真空开关技术的加速发展，真空灭弧室不断地走向小型化，真空灭弧室内部绝缘水平的合理设计已显得尤为重要，并成为领域内普遍关注的研究方向，真空灭弧室内部电场的分布是内部绝缘水平设计的关键，而内部电场分析研究是一项极其复杂的动态绝缘问题，其基础是真空灭弧室内部静电场问题的研究。
这里仅从真空灭弧室的静态电场来着手分析，在小型化真空灭弧室设计与改进过程中，借助Ansoft Maxwell软件的静电场分析功能可以对真空灭弧室内部各组成元件的不同形状和不同位置下的静电场进行分析，根据分析结果不断地调整，最终使其内部静电场达到均匀分布的状态，从而提高了小型化真空灭弧室的内部绝缘水平。
2、Ansoft Maxwell软件介绍Ansoft Maxwell软件是国际上流行的大型通用有限软件包，是功能强大的电磁场仿真工具，主要应用于电场、磁场、涡流场、热场等领域的计算与分析中。
Ansoft Maxwell软件是完全的Window程序，友好的用户界面，使用起来直观、方便。
该软件较比其它有限元分析软件具有如下几点优势：（1）具有强大的数据处理功能。
（2）拥有简便易行的绘图功能的同时兼有模型输入端口，可以方便的导入其他绘图软件形成的模型。
（3）在剖分过程中，可进行手动剖分和自动剖分，网格形状和疏密程度灵活多样，能量误差可减小到任意指定值。
（4）能够进行各类线性和非线性分析。
3、Ansoft Maxwell软件在小型化真空灭弧室绝缘优化设计中的应用真空灭弧室内部主要由触头、导电杆、屏蔽罩、波纹管等元件组成，影响其内部绝缘水平的因素很多，但内部结构的合理设计可以有效实现内部各间隙之间的电容均衡，内部电场强度分布均匀，从而提高内部绝缘水平。
下面是笔者在工作中利用Ansoft Maxwell 二维软件对小型化真空灭弧室内部结构和电场进行分析优化的一些方法和体会，供同仁们探讨。
ANSOFT_MAXWELL_教学ANSOFT_MAXWELL_教学
ANSOFT MAXWELL
软件介绍
推荐网址
• 西莫电机论坛/ • Simwe仿真论坛/
―在调试磁场仿真的过程中，越来越深刻体 会到，要顺利完成一个仿真，必须具备两方 面的素质，其一是对软件的基本操作要非常 熟悉，比如3D模型创建，手动网格剖分， 后处理损耗和电感参数提取等；另外一个就 是对基础理论的扎实掌握，包括电机的绕组 理论，电磁场有限元理论等。前者只要通过 相关培训或教程的学习，加以必要的练习， 就可以很快上手；后者则绝非一日之功，这 对于开发一种新电机而言，尤其如此。” ——摘自Forlink 新浪博客
气球边界条件
• 在很多模型中，需要进行散磁或较远处磁场的数 值计算，而绘制过大的求解区域则会无谓的增加 计算成本，引入无穷远边界条件是一种非常理想 的处理方法。 • Maxwell 将无穷远边界条件称之为气球边界条件， 这样在绘制求解域范围时就可以不必将求解域绘 制的过于庞大，从而减小可内存和CPU 等计算资 源的开销。 • 在施加气球边界条件的边线上，磁场既不垂直边 线也不平行于边线。当所计算的模型过于磁饱和 或专门要考察模型漏磁性能时，多采用气球边界 条件
建模
几种建模方法及注意事项
一个良好的模型，是正确进行有限元分析的前提。 •完全使用maxwell建模，这个是最保险的办法。 •使用Rmxprt里面的电机模型（单极，全电机） •从cad软件，比如autocad solidworks等导入。 •采用混合建模方法，比如rm生成，cad导入，maxwell 建模。这种混合建模方法，只适用于模型中不相互接 触的部件
• 微分方程和边界条件 • 二维有限元初步
– Step1 列出与偏微分方程边值问题等价的条件 变分问题。 – Step 2 将区域作三角形单元剖分，并在单元中， 构造出线性插值函数。 – Step 3 将能量泛函的极值问题转化为能量函数 的极值问题，建立线性代数方程组。 – Step 4 求解线性代数方程组。
软件介绍
推荐网址
• 西莫电机论坛/ • Simwe仿真论坛/
―在调试磁场仿真的过程中，越来越深刻体 会到，要顺利完成一个仿真，必须具备两方 面的素质，其一是对软件的基本操作要非常 熟悉，比如3D模型创建，手动网格剖分， 后处理损耗和电感参数提取等；另外一个就 是对基础理论的扎实掌握，包括电机的绕组 理论，电磁场有限元理论等。前者只要通过 相关培训或教程的学习，加以必要的练习， 就可以很快上手；后者则绝非一日之功，这 对于开发一种新电机而言，尤其如此。” ——摘自Forlink 新浪博客
气球边界条件
• 在很多模型中，需要进行散磁或较远处磁场的数 值计算，而绘制过大的求解区域则会无谓的增加 计算成本，引入无穷远边界条件是一种非常理想 的处理方法。 • Maxwell 将无穷远边界条件称之为气球边界条件， 这样在绘制求解域范围时就可以不必将求解域绘 制的过于庞大，从而减小可内存和CPU 等计算资 源的开销。 • 在施加气球边界条件的边线上，磁场既不垂直边 线也不平行于边线。当所计算的模型过于磁饱和 或专门要考察模型漏磁性能时，多采用气球边界 条件
建模
几种建模方法及注意事项
一个良好的模型，是正确进行有限元分析的前提。 •完全使用maxwell建模，这个是最保险的办法。 •使用Rmxprt里面的电机模型（单极，全电机） •从cad软件，比如autocad solidworks等导入。 •采用混合建模方法，比如rm生成，cad导入，maxwell 建模。这种混合建模方法，只适用于模型中不相互接 触的部件
• 微分方程和边界条件 • 二维有限元初步
– Step1 列出与偏微分方程边值问题等价的条件 变分问题。 – Step 2 将区域作三角形单元剖分，并在单元中， 构造出线性插值函数。 – Step 3 将能量泛函的极值问题转化为能量函数 的极值问题，建立线性代数方程组。 – Step 4 求解线性代数方程组。
ansoft maxwell 入门及相关基础操作
4 边界条件（Boundary）
4 Master/Slave Boundary 主从边界条件
主从边界条件是由两类边界条件配合而成，即主边界条件和 从边界条件。在使用时要先将模型的一条边定义为主边界，然后 再设定另外一条边为从边界。该边界条件的引入可以将类似于旋 转电机之类的几何模型简化，仅计算其中的一个极或一对极，从
具有高性能矩阵求解器和多CUP处理能力，提供了最快的求
解速度。
1 功能介绍（续）
求解器选择
1 功能介绍（续）
静磁场求解器（Magnetostatic ）
用于分析由恒定电流、永磁体及外部激磁引起的磁场， 是用于激励器、传感器、电机及永磁体等。该模块可自动计算
磁场力、转矩、电感和储能。
瞬态磁场求解器（Transient ） 用于求解某些涉及到运动和任意波形的电压、电流源激励 的设备，可获得精确的预测性能特性。该模块能同时求解磁场、 电路及运动等强耦合的方程，从而得到电机的相关运行性能
Maxwell 将无穷远边界条件称之为气球边界条件，这样在绘
制求解域范围时就可以不必将求解域绘制的过于庞大，从而减 小可内存和CPU 等计算资源的开销。
4 边界条件（Boundary）
当所计算的模型过于磁饱和或专门要考察模型漏磁性能时多采 用气球边界条件。 点击 菜 单 栏 中 的 Maxwell2D/Boundaries/Assign/Balloon Boundary 项，弹出下图所示的窗口，这里无需用户定义气 球边界的参数，仅定义其边界名称即可。
1 功能介绍（续）
涡流场求解器（Eddy Current）
用于分析受涡流、集肤效应、邻近效应影响的系统。 它求解的频率范围可以从０到数百兆赫兹，能够自动计算损
Ansoft_Maxwell简介
瞬态场（Transient Field）
用于求解某些涉及到运动和任意波形的电压、电流源激励的设 备。该模块能同时求解磁场、电路及运动等强耦合的方程，因 而可轻而易举地解决上述装置的性能分析问题。
Ansoft仿真步骤
选择求解器类型
建模
设置材料属性（电 导率，介电常数， 磁导率等）
设置激励源和边界条件
3. Ansoft 学
Ansoft Maxwell
Ansoft公司的Maxwell 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二
维/三维电磁场有限元分析软件。包括静电场、静磁场、时变电 场，时变磁场，涡流场、瞬态场和温度场计算等，可以用来分 析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静 态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性。 Maxwell 还可产生高精度的等效电路模型以供Ansoft 的SIMPLORER 模块和其它电路分析工具调用。
从Outer模型中减去Air模型，得到外层屏蔽层模型。
继续建模：绘制外层屏蔽层模型 从Outer模型中减去Air模型，得到外层屏蔽层模型。
选中Outer模型和Air模型： Edit > Select > By Name
Shift+鼠标左键
继续建模：绘制外层屏蔽层模型 从Outer模型中减去Air模型，得到外层屏蔽层模型。
C12 Q1 C10 C12 C13 Q C C 20 C12 C 23 12 2 C 23 Q3 C13 V1 V C 23 2 C 30 C13 C 23 V3 C13
在Project manage窗口中 Field Overlays，右键单击 Fields > E > Mag_E
2024版年度Ansoft Maxwell介绍与应用
2024/2/2
8
02
Ansoft Maxwell Fundamentals
2024/2/2
9
Fundamentals of Electrical Field Theory
03
Maxwell's Equations
Describe the fundamental relationship between electric and magnetic fields, as well as their interaction with charges and currents
10
Introduction to Fine Element Method
2024/2/2
Mesh Generation
Discretize the problem domain into small elements (or "fine elements") to facilitate numerical analysis
Electrical Wave Promotion
Understand the promotion of electrical waves in different media and the associated concepts of reflection, reflection, and diffusion
VS
2024/2/2
Custom Materials
In addition to the build in materials, users can also define their own custom materials by specifying electrical properties such as conductivity, permission, and capability This flexibility allows for accurate simulation of unique or specialized materials
Ansoft Maxwell简介与电场仿真实例PPT精选文档
15
4.设置计算参数（可选）
计算电容值：Maxwell 3D> Parameters > Assign > Matrix
计算参数
Force，力（虚位移法） Torque，转矩 Matrix，矩阵参数（对于静电场问题：部分电容参数矩阵）
静电独立系统— D 线从这个系统中的带电体发出，并终止于该系统 中的其余带电体，与外界无任何联系，即系统中，总净电荷为0。
12
继续建模：绘制外层屏蔽层模型 从Outer模型中减去Air模型，得到外层屏蔽层模型。 选中Outer模型和Air模型： Edit > Select > By Name
Shift+鼠标左键
13
继续建模：绘制外层屏蔽层模型 从Outer模型中减去Air模型，得到外层屏蔽层模型。
Modeler > Boolean > Subtract
双击
双击改名：Inner
单击改模型颜色
单击设置材料 ：copper
11
继续建模：绘制外层屏蔽层模型 选中已建立的Inner模型，Ctrl+C， Ctrl+V
建立第2个圆柱体，命名为Outer，材料：Copper
双击修改模型尺寸 同理，建立第3个圆柱体，半径改为1mm，命名为Air，材料：vacuum 从Outer模型中减去Air模型，得到外层屏蔽层模型。
瞬态场（Transient Field）
用于求解某些涉及到运动和任意波形的电压、电流源激励的设 备。该模块能同时求解磁场、电路及运动等强耦合的方程，因 而可轻而易举地解决上述装置的性能分析问题。
4
Ansoft仿真步骤
选择求解器类型 建模
设置材料属性（电 导率，介电常数， 磁导率等）
4.设置计算参数（可选）
计算电容值：Maxwell 3D> Parameters > Assign > Matrix
计算参数
Force，力（虚位移法） Torque，转矩 Matrix，矩阵参数（对于静电场问题：部分电容参数矩阵）
静电独立系统— D 线从这个系统中的带电体发出，并终止于该系统 中的其余带电体，与外界无任何联系，即系统中，总净电荷为0。
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继续建模：绘制外层屏蔽层模型 从Outer模型中减去Air模型，得到外层屏蔽层模型。 选中Outer模型和Air模型： Edit > Select > By Name
Shift+鼠标左键
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继续建模：绘制外层屏蔽层模型 从Outer模型中减去Air模型，得到外层屏蔽层模型。
Modeler > Boolean > Subtract
双击
双击改名：Inner
单击改模型颜色
单击设置材料 ：copper
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继续建模：绘制外层屏蔽层模型 选中已建立的Inner模型，Ctrl+C， Ctrl+V
建立第2个圆柱体，命名为Outer，材料：Copper
双击修改模型尺寸 同理，建立第3个圆柱体，半径改为1mm，命名为Air，材料：vacuum 从Outer模型中减去Air模型，得到外层屏蔽层模型。
瞬态场（Transient Field）
用于求解某些涉及到运动和任意波形的电压、电流源激励的设 备。该模块能同时求解磁场、电路及运动等强耦合的方程，因 而可轻而易举地解决上述装置的性能分析问题。
4
Ansoft仿真步骤
选择求解器类型 建模
设置材料属性（电 导率，介电常数， 磁导率等）
ansoft_maxwell_入门及相关基础操作
义电密数值的正、负来更改电密的方向。
电流激励和物体面积无关
电密激励和物体面积有关
5 激励源设置（Excitations）
B 瞬态磁场求解器激励源
在静磁场和涡流场中，仅可以使用电流源或电密源，电压源 是不能使用在这两个求解器中的。相比较而言，瞬态磁场的激 励源比较丰富，有电流源、电流密度源，还可以将导条形成线 圈，该线圈是指广义的线圈，不仅仅是由漆包线绕制而成。在
1 功能介绍——界面环境
1 功能介绍——界面环境
1 功能介绍——界面环境
2 模型建立（modeling）
在绘制曲线模型时，系统默认的是将封闭后的曲线自动生成
面，如果用户不想让其自动生成面，可以在绘制曲线模型前， 点击菜单栏中的Tools/Options/Modeler Options 项更改绘图设 置。
系下θ 方向矢量磁位。
4 边界条件（Boundary）
Assign / Vector Potential Boundary（或者在工作窗口右键）
将选择模式切换到 edge ，点击菜单栏中的 Maxwell2D/Boundaries
当Const 常数等于0 时，描述的是磁力线平行于所给定的边
界线，这在仿真理想磁绝缘情况时特别有用。
3 材料管理 （material）
相对磁导率栏后是Bulk Conductivity 电导率栏，默认的电导率单位 是S/m，对于新加入的材料该项数值为2000000。
Composition 项是设置材料构成，默认的是Solid 即是由实心材料组成，鼠
标左键单击Solid 字符可以看到在弹出的下拉菜单中还有一个选项是 Lamination 项，该选项所表示的是叠片形式，例如变压器铁心，正是由一片
maxwell16
maxwell16.0 多线程仿真
ansoftmaxwell（ansoftmaxwellEM）是一种工业应用中的电磁软件，是电磁场分析软件，ANSOFT制作发行于2003年。
工业应用中的电磁元件，如传感器，调节器，电动机，变压器，以及其他工业控制系统比以往任何时候都使用得更加广泛。
由于设计者对性能与体积设计封装的希望，因而先进而便于使用的数字场仿真技术的需求也显著的增长。
在工程人员所关心的实用性及数字化功能方面，Maxwell的产品遥遥领先其他的一流公司。
Maxwell2D包括交流、直流磁场、静电场以及瞬态电磁场、温度场分析，参数化分极，以及优化功能。
此外，Maxwel2D还可产生高精度的等效电路模型以供Ansoft的SIMPLORER模块和其它电路分析工具调用。
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三维静电场分析（3D Electrostatic Field）
用于分析由静止电荷、直流电压引起的静电场。该模块直接计 算标量电位，得到电场强度（E），电位移矢量（D），电场 力、电场能量、转矩、电容值等。 可用于分析直流高压绝缘 问题，电容器储能问题等。
三维直流磁场分析（3D DC Magnetic）
每次迭代加密剖分比例：50%
6.检验所有设置是否正确
单击
7.求解
单击
8.查看收敛结果
Maxwell 3D> Results > Solution Data 电容矩阵
收敛 特性
电场力
9.后处理
在直接计算量的基础上得到间接计算量，将结果以图形的形式显示 显示横截面电场幅值分布图
在history tree窗口中 选中Plane： Global:XY
3. Ansoft Maxwell 简介
徐征
重庆大学
Ansoft Maxwell
Ansoft公司的Maxwell 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二
维/三维电磁场有限元分析软件。包括静电场、静磁场、时变电 场，时变磁场，涡流场、瞬态场和温度场计算等，可以用来分 析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静 态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性。 Maxwell 还可产生高精度的等效电路模型以供Ansoft 的SIMPLORER 模块和其它电路分析工具调用。
-2.0000000000000000e-003 -2.0000000000000000e-003 0.0000000000000000e+000
-2.6696090154630286e+002 -3.6309353467063706e+003 -1.9492643644693467e+002 ………
瞬态场（Transient Field）
用于求解某些涉及到运动和任意波形的电压、电流源激励的设 备。该模块能同时求解磁场、电路及运动等强耦合的方程，因 而可轻而易举地解决上述装置的性能分析问题。
Ansoft仿真步骤
选择求解器类型
建模
设置材料属性（电 导率，介电常数， 磁导率等）
设置激励源和边界条件
Modeler > Boolean > Subtract
Blank Parts: Outer; Tool Parts: Air
建模完毕
3.设置激励源 激励源：内芯电压：-1kV；外屏蔽层电压1kV
选中Inner模型,设置电压-1kV
Maxwell 3D > Excitations > Assign > Voltage. 选中Outer模型,设置电压1kV
9.后处理
显示剖分结果图 选中模型Inner，Outer
在Project manage窗口中 Field Overlays，右键单击 Fields > Plot Mesh
9.后处理
导出电场强度E 的数据 1. Maxwell 3D> Fields > Calculator
2. Quantity> E
H
电流密度JC
计算源电流密度JS与JC的差 J
计算由 J 产生的能量 En 计算由JS 产生的能量 En
En 100% Energy Error = En
Delta Energy：迭代能量误差变化量 若当前迭代次数i>1次， Delta Energy =|第i-1次Energy Error-第i次Energy Error|
自适应网格剖分 有限元计算
后处理
Ansoft的自适应网格剖分
在几何结构突变处、计算场量变化大处，剖分网格加密，其 他部位较稀疏，这样既保证计算精度，也保证了计算速度。
Ansoft的自适应有限元计算
误差分析：两种误差
Energy Error Delta Energy Energy Error：能量误差（以磁场问题为例） 计算场量H
在Project manage窗口中 Field Overlays，右键单击 Fields > E > Mag_E
显示横截面电场矢量图
在history tree窗口中 选中Plane： Global:XY 在Project manage窗口中 Field Overlays，右键单击 Fields > E > E_Vector
Capacitance Matrix 部分电容矩阵
4导体静电独立系统 Q1 C10V1 C12 (V1 V2 ) C13 (V1 V3 )
Q2 C20V2 C21 (V2 V1 ) C23 (V2 V3 ) Q3 C30V3 C31 (V3 V1 ) C32 (V3 V2 )
用于分析由恒定电流、永磁体及外部激磁引起的磁场。该模块 可计算磁场强度（H），电流密度（J），磁感应强度（B）， 磁场力、磁场能量、转矩、电感等。可用于分析直流载流线圈 磁场，永磁体产生磁场等。
涡流场分析（Eddy Current Field）
用于分析受涡流、集肤效应、邻近效应影响的系统。它求解的 频率范围可以从０到数百兆赫兹，能够计算损耗、铁损、力、 转矩、电感与储能。可用于分析导体中的涡流分布。三维正弦 电磁场特性等。
C12 Q1 C10 C12 C13 Q C C 20 C12 C 23 12 2 C 23 Q3 C13 V1 V C 23 2 C30 C13 C 23 V3 C13
场点坐标
电场强度分量 Ex，Ey，Ez
从Outer模型中减去Air模型，得到外层屏蔽层模型。
继续建模：绘制外层屏蔽层模型 从Outer模型中减去Air模型，得到外层屏蔽层模型。
选中Outer模型和Air模型： Edit > Select > By Name
Shift+鼠标左键
继续建模：绘制外层屏蔽层模型 从Outer模型中减去Air模型，得到外层屏蔽层模型。
圆心坐标 内芯半径
内芯长度
2.设置材料属性 双击 双击改名：Inner 单击改模型颜色
单击设置材料 ：copper
继续建模：绘制外层屏蔽层模型 选中已建立的Inner模型，Ctrl+C， Ctrl+V
建立第2个圆柱体，命名为Outer，材料：Copper
双击修改模型尺寸
同理，建立第3个圆柱体，半径改为1mm，命名为Air，材料：vacuum
每
同轴电缆: 尺寸：长25mm，内芯半径0.6mm，外屏蔽层外半径1.2mm，外屏蔽层 厚度0.2mm。 内芯和外屏蔽层材料：铜 两层之间介质：空气 内芯电压：-1kV；外屏蔽层电压1kV
1.建模
建立工程：Project > Insert Maxwell 3D Design 选择求解器类型： Maxwell 3D > Solution Type>Electrostatic 内芯建模： Draw > Cylinder 输入内芯底面圆心坐标（0，0，-4）mm 输入内芯半径：dy = 0.6mm 输入内芯长度：dz = 25mm
4.设置计算参数（可选） 计算内芯受力 选中Inner模型 Maxwell 3D> Parameters > Assign > Force-> Virtual force
5.设置自适应求解器收敛判据
Maxwell 3D> Analysis Setup > Add Solution Setup 最大迭代循环次数：10 误差：< 5%
4.设置计算参数（可选） 计算电容值：Maxwell 3D> Parameters > Assign > Matrix Force，力（虚位移法） 计算参数 Torque，转矩 Matrix，矩阵参数（对于静电场问题：部分电容参数矩阵） 静电独立系统— D 线从这个系统中的带电体发出，并终止于该系统 中的其余带电体，与外界无任何联系，即系统中，总净电荷为0。 部分电容
3. Geometry> All objects
4. Domain
导出电场强度E 的数据
5. Export
数据保存路径：英文目录 可用写字板打开
导出电场强度E 的数据
Grid Output Min: [-0.002 -0.002 0] Max: [0.002 0.002 0.001] Grid Size: [0.0001 0.0001 0.001] Vector data "Domain(Volume(AllObjects), <Ex,Ey,Ez>)“
Ansoft的自适应有限元计算
迭代停止条件：两种条件
1. Maximum number of passes
最大允许迭代次数
2.Percent error（设定误差）
Energy Error和Delta Energy都要小于 Percent error
两种条件满足其一，计算停止
加密剖分原则：
将具有更高能量误差的 单元进行加密