1 概述

Maxwell 2D瞬態(tài)磁場(chǎng)分析中，通常有幾種常用的加速方法，而對(duì)于特定模型如電機(jī)、作動(dòng)器、變壓器等，也有一些特定的加速方法。本文將介紹一些針對(duì)Maxwell 2D瞬態(tài)場(chǎng)的加速技巧。用戶需要注意的是Maxwell 2D沒有超線程功能，不能像Maxwell 3D那樣，使用傳統(tǒng)多線程技術(shù)調(diào)用多處理器并行求解同一個(gè)任務(wù)。

由于Maxwell 2D對(duì)內(nèi)存需求小，因此更適合對(duì)多設(shè)計(jì)變量進(jìn)行分布式計(jì)算(DSO)，DSO可以調(diào)用所有計(jì)算機(jī)參與計(jì)算。除DSO外，也可以在計(jì)算機(jī)集群或者多核機(jī)器上，采用時(shí)間分解方法(TDM)求解多時(shí)間步的工程，加快求解速度。

2 常規(guī)加速技巧

2.1 仿真結(jié)束時(shí)更新報(bào)告

執(zhí)行Tools>>Options>>General Options…，點(diǎn)擊Desktop Performance tab Design Type: “Maxwell 2D” Dynamically update post-processing data for new solutions：“On Completion”

Options選項(xiàng)卡 通過(guò)以上設(shè)置，報(bào)告將在求解完成后更新，不會(huì)每完成一個(gè)時(shí)間步就更新一次。用戶也可以通過(guò)鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊Result>Plot>Update Report，手動(dòng)更新報(bào)告。

2.2 使用Tau Mesh網(wǎng)格

選擇Maxwell2D>>Mesh Operations>>Initial Mesh Settings…，切換為TAU Mesh。

Mesh Settings Classic Mesh是經(jīng)典的網(wǎng)格剖分，采用的是Delaney算法，Tau Mesh適合帶有弧線或弧面的模型，網(wǎng)格平滑度和質(zhì)量更好，相比網(wǎng)格數(shù)量更少，因此計(jì)算速度更快。

2.3 使用平滑的BH曲線

采用平滑的BH曲線，可以在求解每個(gè)瞬態(tài)時(shí)間步時(shí)，提升非線性迭代能力。BH曲線及其導(dǎo)數(shù)曲線都要平滑，而且數(shù)據(jù)點(diǎn)要夠多，最好也要有低磁場(chǎng)段的數(shù)據(jù)。

平滑的BH曲線

2.4 使用對(duì)稱邊界條件

盡可能使用對(duì)稱或周期邊界條件，減小總體網(wǎng)格數(shù)量?？梢酝ㄟ^(guò)主從邊界條件縮減模型，如下圖可將1/2模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化為1/4模型，減少計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量，加快求解進(jìn)度。

(a) 1/2模型

(b) 1/4模型 使用對(duì)稱邊界條件

2.5 通過(guò)網(wǎng)格查找模型低效區(qū)

通過(guò)執(zhí)行Maxwell2D>>Analysis Setup>>Generate Mesh，可查看模型的網(wǎng)格情況(例如，查看XY平面)，如果在一些模型點(diǎn)或邊上網(wǎng)格數(shù)量較多(特別是細(xì)小特征處)，我們可以簡(jiǎn)化模型。一般在導(dǎo)入的模型時(shí)，會(huì)遇到一些問題，例如下面幾種情況，通常需要處理：

(1)導(dǎo)入的模型中，在曲線邊緣上有許多小分段/小平面;

(2)導(dǎo)入的模型中， 有曲線邊相交;

(3)導(dǎo)入的模型中， 有細(xì)小特征(孔，倒角，圓角)。

用戶可以用布爾運(yùn)算做模型局部的簡(jiǎn)單處理，或者使用菜單Modeler>>Model Preparation>>Heal commands.，進(jìn)行模型整體修復(fù)。

當(dāng)導(dǎo)入.dxf 或者.dwg 格式，請(qǐng)注意導(dǎo)入對(duì)話框中的stitching tolerance設(shè)置。

2.6 使用(TDM)時(shí)間分解法同時(shí)求解所有時(shí)間步

TDM代替了原先的Maxwell瞬態(tài)磁場(chǎng)的按順序求解時(shí)間步，其支持同時(shí)求解所有時(shí)間步，TDM功能始于R17(V2016)，TDM只適用瞬態(tài)磁場(chǎng)分析。

(TDM)時(shí)間分解法 首先在HPC中勾選transient solver。

接著在SolveSetup中選擇周期性TDM或半周期性TDM。

Solve Setup選項(xiàng)卡

2.7 分布式計(jì)算(DSO)

DSO支持任意參數(shù)化變量的并行求解。用戶如果希望對(duì)幾何形狀、激勵(lì)、材料、電路參數(shù)、速度、負(fù)載扭矩做參數(shù)化設(shè)計(jì)，或者使用Machine Toolkit，可以采用DSO和大規(guī)模DSO (LSDSO)計(jì)算技術(shù)。

分布式計(jì)算(DSO)

HPC中設(shè)置DSO數(shù)量

激活LSDSO

編輯計(jì)算節(jié)點(diǎn)列表 以上介紹的仿真加速技巧，適用于所有的Maxwell 2D 瞬態(tài)分析。而下面介紹的方法，適用于特定的模型。

2.8 移除外電路

很多情況下，外電路可以用繞組的連接設(shè)置代替，比如用電壓源激勵(lì)繞組設(shè)置(Y接法)、電流源激勵(lì)繞組設(shè)置、端部連接設(shè)置等，這種情況下瞬態(tài)仿真速度會(huì)快一點(diǎn)。

電壓源激勵(lì)繞組設(shè)置(Y接法)

2.9 將Lamination模型改為等效處理的BH曲線

在Maxwell 2D中，仿真涉及的Lamination模型(如鐵芯疊片)，可以在非線性材料中設(shè)置疊壓系數(shù)，或者在BH曲線中按比例等效體現(xiàn)。因?yàn)長(zhǎng)amination模型做了一些復(fù)雜的處理，在3D中相對(duì)效率高一些，但在2D中會(huì)降低仿真速度。

建議將Lamination模型修改為Solid模型，然后使用等效處理的BH曲線，等效公式如下：

其中SF為疊壓系數(shù)。

Lamination改為solid

B值經(jīng)過(guò)等效計(jì)算

2.10 不使用“Advanced Core Loss Option”

在鐵耗設(shè)置里，高級(jí)選項(xiàng)設(shè)置通常不會(huì)對(duì)仿真結(jié)果有太大影響。實(shí)際上，勾選了高級(jí)選項(xiàng)，鐵耗計(jì)算會(huì)考慮鐵耗對(duì)對(duì)磁場(chǎng)的影響，增加一點(diǎn)仿真時(shí)間。分析計(jì)算中一般很少需選擇“Advanced Core Loss”選項(xiàng)，因此如無(wú)必要，請(qǐng)不要勾選。

Advanced Core Loss選項(xiàng)

2.11 不在每個(gè)時(shí)間步都計(jì)算“Expression Cache”

Expression Cache用于保存場(chǎng)數(shù)據(jù)，并按照指定的時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算仿真表達(dá)式，這樣在仿真過(guò)程中不需要保存瞬態(tài)場(chǎng)數(shù)據(jù)。但表達(dá)式計(jì)算在仿真過(guò)程中需要一些時(shí)間，因此會(huì)降低仿真的速度。用戶可以控制用于計(jì)算Expression Cache的時(shí)間步長(zhǎng)，減少計(jì)算次數(shù)，從而加速瞬態(tài)仿真。

ExpressionCache選項(xiàng)卡

2.12 不在每個(gè)時(shí)間步都保存場(chǎng)數(shù)據(jù)

在瞬態(tài)場(chǎng)設(shè)置SaveFields下，設(shè)置保存場(chǎng)數(shù)據(jù)。對(duì)于瞬態(tài)場(chǎng)分析，如果有很多的時(shí)間步以及很多變量，不需要都保存。用戶可以考慮以下選項(xiàng)：

(1)每間隔N個(gè)時(shí)間步保存一次;

(2)只保存最后一個(gè)周期場(chǎng)數(shù)據(jù);

(3)不保存場(chǎng)數(shù)據(jù)或只保存指定點(diǎn)。

保存場(chǎng)數(shù)據(jù)

2.13 采用電流源激勵(lì)

與電感相關(guān)的L/R時(shí)間常數(shù)，會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)仿真時(shí)間變長(zhǎng)。如果繞組上設(shè)置電流源激勵(lì)，那么激勵(lì)源是不包含電氣時(shí)間常數(shù)的，這將減少達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的仿真時(shí)間。

電流源激勵(lì)

2.14 不考慮Eddy Effects

不考慮EddyEffects有兩個(gè)好處。其一是，Eddy Effects和仿真的L/R時(shí)間常數(shù)有關(guān)，如果不考慮渦流效應(yīng)的情況，可以更快地達(dá)到穩(wěn)態(tài)。其二是，Eddy Effects增加了未知數(shù)的計(jì)算量，因此仿真需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

需要明確的是，Maxwell 2D瞬態(tài)仿真時(shí)，大多數(shù)情況下渦流效應(yīng)是需要考慮的，如計(jì)算磁鋼的渦流損耗等，因此要根據(jù)具體仿真的問題，選擇是否考慮渦流效應(yīng)。

Set Eddy Effect

2.15 移除Motion Setup或者設(shè)置恒轉(zhuǎn)速

運(yùn)動(dòng)設(shè)置對(duì)瞬態(tài)仿真影響很大，也包括仿真時(shí)間。有時(shí)瞬態(tài)仿真沒有運(yùn)動(dòng)設(shè)置也能獲取等效信息，但是大部分情況運(yùn)動(dòng)設(shè)置是必要的。因此為了快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，可以設(shè)置恒轉(zhuǎn)速度而不考慮機(jī)械瞬態(tài)。

機(jī)械瞬態(tài)會(huì)涉及復(fù)雜的機(jī)電時(shí)間常數(shù)(阻尼系數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等)，除非能提前控制時(shí)間常數(shù)來(lái)嚴(yán)格抑制系統(tǒng)響應(yīng)，否則，僅設(shè)置恒定轉(zhuǎn)速而不考慮機(jī)械瞬態(tài)，將是達(dá)到穩(wěn)態(tài)的最快方法。

Motion Setup

2.16 采用更大的時(shí)間步Time Step

仿真時(shí)可以設(shè)置較大的時(shí)間步，這樣可以加速仿真。但在某些情況下，設(shè)置小一點(diǎn)的時(shí)間步也能加速仿真，如求解的問題有很強(qiáng)的非線性時(shí)。

Solve Setup

2.17 移除動(dòng)態(tài)退磁計(jì)算

退磁計(jì)算可在有需要時(shí)用，無(wú)必要時(shí)不用。用戶可關(guān)閉退磁計(jì)算，加快求解速度。

退磁計(jì)算設(shè)置

2.18 移除磁滯材料建模

磁滯材料可在有需要時(shí)用，無(wú)必要時(shí)可選用其它非磁滯材料。

材料選擇

3 總結(jié)

在Maxwell 2D瞬態(tài)磁場(chǎng)分析中，用戶可通過(guò)常規(guī)加速技巧及特定模型加速技巧，來(lái)加快仿真速度。

其中常規(guī)加速技巧，包括：仿真結(jié)束時(shí)更新報(bào)告、使用Tau Mesh網(wǎng)格、使用平滑的BH曲線、使用對(duì)稱邊界條件、通過(guò)網(wǎng)格查找模型低效區(qū)、使用(TDM)時(shí)間分解法同時(shí)求解所有時(shí)間步、分布式計(jì)算(DSO)等。

特定模型加速技巧，包括：移除外電路、將Lamination模型改為等效處理的BH曲線、不使用“Advanced core loss option” 、不在每個(gè)時(shí)間步都計(jì)算“ Expression Cache” 、不在每個(gè)時(shí)間步都保存場(chǎng)數(shù)據(jù)、采用電流源激勵(lì)、不考慮Eddy Effects、移除Motion Setup或者設(shè)置恒轉(zhuǎn)速、采用更大的時(shí)間步Time step、移除動(dòng)態(tài)退磁計(jì)算、移除磁滯材料建模等方法等。

通過(guò)常規(guī)加速技巧及特定模型加速技巧可以加快求解速度，為電機(jī)工程師的分析計(jì)算提高效率。

審核編輯：湯梓紅