CFX Berlin - Maxwell

ANSYS Maxwell für elektromagnetische Feldsimulationen

Maxwell ist eine leistungsstarke und anwender­freundliche Simulationssoftware für die zwei- und dreidimensionale Berechnung und Visualisierung von niederfrequenten elektrischen und magnetischen Feldern. Modelle können vereinfacht stationär oder harmonisch betrachtet werden, aber auch realistisch transient inklusive der Berücksichtigung von Bewegungen. Zur Berechnung nutzt Maxwell die Finite-Elemente-Methode mit einer automatischen adaptiven Vernetzung.

Typische Anwendungsgebiete für den Einsatz der ANSYS Maxwell-Software sind: elektrische Maschinen (Motoren, Generatoren), magnetische Bauelemente (Transformatoren, Drosseln, Messwandler), elektrische Bauelemente (Kondensatoren, Isolatoren), Sensoren und Aktuatoren und Leistungselektronik (Kabeltechnik, Verschienung).

Intuitiv & benutzerfreundlich

Die Software verfügt über eine intuitive Benutzeroberfläche und erlaubt den Datenimport aus den gängigen ECAD- und MCAD-Systemen. Kontakterkennung und Kontakttrennung – z.B. wichtig für die Modellierung von Spulenwicklungen – erfolgt automatisch, was in der Praxis zu enormer Zeiteinsparung führt. Dem Benutzer stehen darüber hinaus eine umfangreiche Bauteilbibliothek sowie eine Materialdatenbank zur Verfügung.

Ein wesentlicher Vorteil der Maxwell-Software ist der automatisierte Lösungsprozess, d.h. der Benutzer kümmert sich lediglich um Geometrie, Material­eigenschaften, Randbedingungen, Anregungen und Ausgangsparameter, alles weitere wird von der Maxwell-Software übernommen, insbesondere auch die Gittergenerierung. Auch die Vorgabe der für die Simulation erforderlichen numerischen Parameter erfolgt automatisch.

Der Benutzer kann sich somit auf die Designdefinition und auf die visuelle und quantitative Auswertung der durchgeführten Simulationen konzentrieren.

Grafische Benutzeroberfläche von ANSYS Maxwell
Auszug aus der Materialdatenbank von ANSYS Maxwell mit para-, ferro- und permanentmagnetischen Stoffen

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Adaptive Vernetzung

Maxwell setzt auf eine adaptive Vernetzungs­methode, bei der automatisch ein grobes Startnetz erzeugt und immer wieder lokal in den Bereichen des größten Lösungsfehlers verfeinert wird, bis eine vorgegebene Genauigkeit in der Lösung erreicht wird.

In zwei Dimensionen werden Dreiecke, in drei Dimensionen Tetraeder benutzt. Der Umfang der Verfeinerung je Stufe, die minimale und maximale Stufenzahl und die gewünschte Genauigkeit in der Energie, den Feldgrößen und eigenen quantitativen Größen können vom Benutzer vorgegeben werden.

Schritt 1 der adaptiven Gitterverfeinerung bei einem Topfmagneten
Schritt 2 der adaptiven Gitterverfeinerung bei einem Topfmagneten
Schritt 3 der adaptiven Gitterverfeinerung bei einem Topfmagneten
Schritt 4 der adaptiven Gitterverfeinerung bei einem Topfmagneten
Schritt 5 der adaptiven Gitterverfeinerung bei einem Topfmagneten
Schritt 6 der adaptiven Gitterverfeinerung bei einem Topfmagneten
Schritt 7 der adaptiven Gitterverfeinerung bei einem Topfmagneten
Schritt 8 der adaptiven Gitterverfeinerung bei einem Topfmagneten
Schritt 9 der adaptiven Gitterverfeinerung bei einem Topfmagneten

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Komplementäre Produkte

Für einen optimierten Modellaufbau sowie zur Vorauslegung und analytischen Berechnung von elektrischen Komponenten kann Maxwell durch komplementäre Werkzeuge ergänzt werden, welche sich ideal in den bestehenden Workflow integrieren.

Für die Vorauslegung von elektrischen Maschinen, die analytische Berechnung und den Modellaufbau für weiterführende Berechnungen in 2D und 3D wird das Programm RMxprt verwendet. Für die Vorauslegung von leistungselektronischen Bauelementen (Solenoide, Spulen, Transformatoren), die analytische Berechnung sowie den Modellaufbau für weiterführende Berechnungen in ANSYS Maxwell steht das kompletmentäre Programm PExprt zur Verfügung.

Je nach Themenschwerpunkt steht dem Entwickler somit eine komplette Entwicklungsumgebung zur Lösung aller Design- und Optimierungsaufgaben zur Verfügung - von der Vorauslegung über den Modellaufbau bis hin zur Analyse mittels Feldsimulation.

Synchronmaschine im Vorauslegungsprogramm RMxprt
Die vorausgelegte Synchronmaschine aus RMxprt wurde automatisch in Maxwell2D erstellt und kann direkt simuliert werden.
Die vorausgelegte Synchronmaschine aus RMxprt wurde automatisch in Maxwell3D erstellt und kann direkt simuliert werden.

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Multiphysik-Kopplung

Durch die vollständige Integration der Maxwell-Software in die ANSYS Workbench sind Anwender in der Lage, gekoppelte Simulationen multiphysikalischer Effekte innerhalb einer Simulationsumgebung durchzuführen – z.B. können thermische und strukturmechanische Wechselbeziehungen simuliert und analysiert werden, ohne das Reibungsverluste aufgrund von aufwendigem Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Softwaresystemen auftreten.

Workflow der gekoppelten Simulation zwischen Maxwell und Mechanical zur Berechnung der Verformung der Bonddrähte aufgrund der Widerstandserwärmung
Berechnung der Stromdichteverteilung in Maxwell des Innenlebens eines leistungselektronischen Halbleiterschalters, bestehend aus zwei IGBTs und zwei Dioden auf einer Trägerplatte mit elektrischen Kontaktierungen
Berechnung der Temperaturverteilung in Mechanical aus der Widerstandserwärmung von Maxwell für das Innenleben eines leistungselektronischen Halbleiterschalters, bestehend aus zwei IGBTs und zwei Dioden auf einer Trägerplatte mit elektrischen Kontaktierungen
Übernahme der in Mechanical berechneten Temperatur in Maxwell zur Berücksichtigung temperaturabhängiger Eigenschaften bei der Berechnung der Stromdichte
Berechnung der Verformung der Bonddrähte in Mechanical aufgrund der Widerstandserwärmung
Bild Stroemung Temperatur Asynchronmaschine
Beispiel für die Simulation von Strömung und Temperatur in einer Asynchronmaschine

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Übersicht der Features

Wesentliche Features von ANSYS Maxwell sind:

  • Adaptive automatische Vernetzung (Easy to Use)
  • Simulation als 3D- oder als 2D-Modell (mit Translations- oder Rotationssymmetrie)
  • Berechnung von elektrischen Feldern (statisch, harmonisch, transient)
  • Berechnung von magnetischen Feldern mit elektrischen Strömen und Permanentmagneten als Anregung und mit nichtlinearen anisotropen Materialeigenschaften

    • statische Berechnung
    • harmonische Berechnung mit Wirbel­strömen und Stromverdrängung (Skin- und Proximityeffekt)
    • transiente Berechnung mit allen transienten magnetischen Effekten, mit großen Bewegungen (Drehung oder Translation inklusive Dynamik­berechnung), mit Entmagnetisierung von Permanentmagneten und mit externen Schaltkreisen

  • Schneller und effektiver Aufbau von Elektro­maschinen (Geometrie, Materialien, Randbedingungen, Anregungen) zur anschließenden Berechnung
  • Durchführung von Parametervariationen, Optimierungen, Sensitiv- und Statistikanalysen in Maxwell über Optimetrics mit der Möglichkeit, verschiedene Designs gleichzeitig über Distributed Analysis zu berechnen
Video: Beispiel für translatorische Bewegung in ANSYS Maxwell
Video: Beispiel für translatorische Bewegung in ANSYS Maxwell
Video: Beispiel für Rotationsbewegung in Maxwel
Video: Beispiel für Rotationsbewegung in Maxwell

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