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Maxwell 2D瞬态磁场仿真加速小技巧

jf_0T4ID6SG 来源:西莫电机论坛 2023-01-07 10:41 次阅读

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,使用传统多线程威廉希尔官方网站 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”

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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。

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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。

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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。

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(a) 1/2模型

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(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。

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(TDM)时间分解法 首先在HPC中勾选transient solver。

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接着在SolveSetup中选择周期性TDM或半周期性TDM。

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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)计算威廉希尔官方网站 。

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分布式计算(DSO)

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HPC中设置DSO数量

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激活LSDSO

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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。

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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:

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其中SF为叠压系数。

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Lamination改为solid

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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

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