Maxwell 2D瞬态磁场仿真加速小技巧

1 概述

Maxwell 2D瞬态磁场分析中，通常有几种常用的加速方法，而对于特定模型如电机、作动器、变压器等，也有一些特定的加速方法。本文将介绍一些针对Maxwell 2D瞬态场的加速技巧。用户需要注意的是Maxwell 2D没有超线程功能，不能像Maxwell 3D那样，使用传统多线程技术调用多处理器并行求解同一个任务。

由于Maxwell 2D对内存需求小，因此更适合对多设计变量进行分布式计算(DSO)，DSO可以调用所有计算机参与计算。除DSO外，也可以在计算机集群或者多核机器上，采用时间分解方法(TDM)求解多时间步的工程，加快求解速度。

2 常规加速技巧

2.1 仿真结束时更新报告

执行Tools>>Options>>General Options…，点击Desktop Performance tab Design Type: “Maxwell 2D” Dynamically update post-processing data for new solutions：“On Completion”

Options选项卡 通过以上设置，报告将在求解完成后更新，不会每完成一个时间步就更新一次。用户也可以通过鼠标右键点击Result>Plot>Update Report，手动更新报告。

2.2 使用Tau Mesh网格

选择Maxwell2D>>Mesh Operations>>Initial Mesh Settings…，切换为TAU Mesh。

Mesh Settings Classic Mesh是经典的网格剖分，采用的是Delaney算法，Tau Mesh适合带有弧线或弧面的模型，网格平滑度和质量更好，相比网格数量更少，因此计算速度更快。

2.3 使用平滑的BH曲线

采用平滑的BH曲线，可以在求解每个瞬态时间步时，提升非线性迭代能力。BH曲线及其导数曲线都要平滑，而且数据点要够多，最好也要有低磁场段的数据。

平滑的BH曲线

2.4 使用对称边界条件

尽可能使用对称或周期边界条件，减小总体网格数量。可以通过主从边界条件缩减模型，如下图可将1/2模型进一步简化为1/4模型，减少计算网格数量，加快求解进度。

(a) 1/2模型

(b) 1/4模型 使用对称边界条件

2.5 通过网格查找模型低效区

通过执行Maxwell2D>>Analysis Setup>>Generate Mesh，可查看模型的网格情况(例如，查看XY平面)，如果在一些模型点或边上网格数量较多(特别是细小特征处)，我们可以简化模型。一般在导入的模型时，会遇到一些问题，例如下面几种情况，通常需要处理：

(1)导入的模型中，在曲线边缘上有许多小分段/小平面;

(2)导入的模型中， 有曲线边相交;

(3)导入的模型中， 有细小特征(孔，倒角，圆角)。

用户可以用布尔运算做模型局部的简单处理，或者使用菜单Modeler>>Model Preparation>>Heal commands.，进行模型整体修复。

当导入.dxf 或者.dwg 格式，请注意导入对话框中的stitching tolerance设置。

2.6 使用(TDM)时间分解法同时求解所有时间步

TDM代替了原先的Maxwell瞬态磁场的按顺序求解时间步，其支持同时求解所有时间步，TDM功能始于R17(V2016)，TDM只适用瞬态磁场分析。

(TDM)时间分解法 首先在HPC中勾选transient solver。

接着在SolveSetup中选择周期性TDM或半周期性TDM。

Solve Setup选项卡

2.7 分布式计算(DSO)

DSO支持任意参数化变量的并行求解。用户如果希望对几何形状、激励、材料、电路参数、速度、负载扭矩做参数化设计，或者使用Machine Toolkit，可以采用DSO和大规模DSO (LSDSO)计算技术。

分布式计算(DSO)

HPC中设置DSO数量

激活LSDSO

编辑计算节点列表 以上介绍的仿真加速技巧，适用于所有的Maxwell 2D 瞬态分析。而下面介绍的方法，适用于特定的模型。

2.8 移除外电路

很多情况下，外电路可以用绕组的连接设置代替，比如用电压源激励绕组设置(Y接法)、电流源激励绕组设置、端部连接设置等，这种情况下瞬态仿真速度会快一点。

电压源激励绕组设置(Y接法)

2.9 将Lamination模型改为等效处理的BH曲线

在Maxwell 2D中，仿真涉及的Lamination模型(如铁芯叠片)，可以在非线性材料中设置叠压系数，或者在BH曲线中按比例等效体现。因为Lamination模型做了一些复杂的处理，在3D中相对效率高一些，但在2D中会降低仿真速度。

建议将Lamination模型修改为Solid模型，然后使用等效处理的BH曲线，等效公式如下：

其中SF为叠压系数。

Lamination改为solid

B值经过等效计算

2.10 不使用“Advanced Core Loss Option”

在铁耗设置里，高级选项设置通常不会对仿真结果有太大影响。实际上，勾选了高级选项，铁耗计算会考虑铁耗对对磁场的影响，增加一点仿真时间。分析计算中一般很少需选择“Advanced Core Loss”选项，因此如无必要，请不要勾选。

Advanced Core Loss选项

2.11 不在每个时间步都计算“Expression Cache”

Expression Cache用于保存场数据，并按照指定的时间步长计算仿真表达式，这样在仿真过程中不需要保存瞬态场数据。但表达式计算在仿真过程中需要一些时间，因此会降低仿真的速度。用户可以控制用于计算Expression Cache的时间步长，减少计算次数，从而加速瞬态仿真。

ExpressionCache选项卡

2.12 不在每个时间步都保存场数据

在瞬态场设置SaveFields下，设置保存场数据。对于瞬态场分析，如果有很多的时间步以及很多变量，不需要都保存。用户可以考虑以下选项：

(1)每间隔N个时间步保存一次;

(2)只保存最后一个周期场数据;

(3)不保存场数据或只保存指定点。

保存场数据

2.13 采用电流源激励

与电感相关的L/R时间常数，会导致瞬态仿真时间变长。如果绕组上设置电流源激励，那么激励源是不包含电气时间常数的，这将减少达到稳态所需的仿真时间。

电流源激励

2.14 不考虑Eddy Effects

不考虑EddyEffects有两个好处。其一是，Eddy Effects和仿真的L/R时间常数有关，如果不考虑涡流效应的情况，可以更快地达到稳态。其二是，Eddy Effects增加了未知数的计算量，因此仿真需要更长的时间。

需要明确的是，Maxwell 2D瞬态仿真时，大多数情况下涡流效应是需要考虑的，如计算磁钢的涡流损耗等，因此要根据具体仿真的问题，选择是否考虑涡流效应。

Set Eddy Effect

2.15 移除Motion Setup或者设置恒转速

运动设置对瞬态仿真影响很大，也包括仿真时间。有时瞬态仿真没有运动设置也能获取等效信息，但是大部分情况运动设置是必要的。因此为了快速达到稳态，可以设置恒转速度而不考虑机械瞬态。

机械瞬态会涉及复杂的机电时间常数(阻尼系数，转动惯量等)，除非能提前控制时间常数来严格抑制系统响应，否则，仅设置恒定转速而不考虑机械瞬态，将是达到稳态的最快方法。

Motion Setup

2.16 采用更大的时间步Time Step

仿真时可以设置较大的时间步，这样可以加速仿真。但在某些情况下，设置小一点的时间步也能加速仿真，如求解的问题有很强的非线性时。

Solve Setup

2.17 移除动态退磁计算

退磁计算可在有需要时用，无必要时不用。用户可关闭退磁计算，加快求解速度。

退磁计算设置

2.18 移除磁滞材料建模

磁滞材料可在有需要时用，无必要时可选用其它非磁滞材料。

材料选择

3 总结

在Maxwell 2D瞬态磁场分析中，用户可通过常规加速技巧及特定模型加速技巧，来加快仿真速度。

其中常规加速技巧，包括：仿真结束时更新报告、使用Tau Mesh网格、使用平滑的BH曲线、使用对称边界条件、通过网格查找模型低效区、使用(TDM)时间分解法同时求解所有时间步、分布式计算(DSO)等。

特定模型加速技巧，包括：移除外电路、将Lamination模型改为等效处理的BH曲线、不使用“Advanced core loss option” 、不在每个时间步都计算“ Expression Cache” 、不在每个时间步都保存场数据、采用电流源激励、不考虑Eddy Effects、移除Motion Setup或者设置恒转速、采用更大的时间步Time step、移除动态退磁计算、移除磁滞材料建模等方法等。

通过常规加速技巧及特定模型加速技巧可以加快求解速度，为电机工程师的分析计算提高效率。

审核编辑：汤梓红