Maxwell低频电磁仿真全流程解析—以变压器案例为例

[ 解决方案 ] 安世亚太 2023-03-16 10:57

ANSYS Maxwell（ANSYS EM）是在电磁领域应用非常广泛的软件。始于2003年的Ansoft软件，已被ANSYS公司收购。普遍应用于传感器，电机，变压器、电抗器、电磁阀、继电器、电磁制动器等行业。

ANSYS收购后的Maxwell不仅继续提升自身模块性能，还可以与ansys其他模块如结构、流体、热分析模块进行多物理场联合仿真，解决工业应用中更复杂的问题。本次以平面变压器为作为典型案例演示Maxwell电磁仿真及多物理场仿真的基本流程。

平面变压器简介：通讯及伺服控制领域广泛使用模块电源，产品微型化设计对变压器提出了更严格的要求，如小尺寸、低剖面、大输出电流、小电磁辐射。传统变压器已经成为制约开关电源技术进一步发展的一个重要因素。

平面变压器由于体积小，工作频率高，高频寄生参数得到了很大的降低，近年来在开关电源中得到了广泛应用。其中PCB型平面变压器可以省去绕组骨架，电流密度最高可达20A/mm，功率大、工艺简单。随着电子、信息技术向微型化发展的趋势，未来平面变压器必然成为变压器、变流器、电感器的首选。

案例仿真需求背景简介：利用Maxwell计算各个绕组的欧姆损耗，铁心损耗，初级等效漏感及各绕组等效电阻，评估PCB布铜的合理性

利用Fluent或Icepack计算绕组的温升及磁芯的运行温度，根据温度分布及最高温升点评估温度安全裕度。

仿真前的准备工作：

（1）模型及数据

磁芯尺寸及PCB绕组匝数、布铜位置及覆铜厚度等模型尺寸数据，本案例中PCB初级绕组为2层，第一层1匝线圈，第二层2匝线圈。次级绕组为2层，第一层4匝线圈，第二层5匝线圈。磁芯为TDK公司的PC95材质的磁芯，尺寸如下：

（2）参数与条件

反激电路参数、磁芯的材料性能数据，包括BH曲线、BP曲线、导热系数。

磁芯材料参数如下：

（3）软件与硬件

Ansys Maxwell及Fluent或Icepack、32核、64G内存图形工作站

（4）其他准备

印制电路板生产商为设计提供可制造性方面的评估

仿真流程：

本例仿真基本流程如下：

（1）搭建几何模型

PCB绕组有不同的简化方式，不同模型简化方式对等效漏感及温升计算精度有较大的影响。不合理的简化方式影响PCB绕组的布铜及对PCB及磁芯温升的评估并影响变压器设计的合理性。本例简化后的模型如下：

（2）设置材料参数

根据材料提供的参数转换为软件中可以接受的参数。

（3）建立激励：根据反激电路及参数在软件中搭建如下图所示的外电路模型。

（4）设置网格参数及求解参数：创建静态仿真模型并生成自适应网格，瞬态仿真导入静态仿真模型的自适应网格，查看电流波形，确保外电路的正确性。

网格及仿真参数如下图所示：

（5）结果后处理：根据仿真要求分别查看铁损曲线、铜损曲线并计算平均值、B及H云图等。

（6）根据上述损耗计算温升及温度分布：温升的计算需要和Fluent进行联合仿真。在Workbench中搭建如下图所示的仿真流程框图。将模型导入Mesh模块，针对温度场仿真进行模型前处理并划分网格。

（7）导入损耗数据：将Maxwell中的损耗数据通过EM Mapping导入到Fluent中。修改自然对流散热相关选项。

（8）Fluent仿真对材料参数设置、边界条件和求解器选项有不同的设置要求，按下图修改材料参数、边界条件及求解器相关选项。

（9）fluent结果后处理：查看磁芯及绕组的温度分布。

（10）拓展

本例使用的是手工建模仿真，在Maxwell软件中还提供了用于平面变压器仿真的ETK插件。

使用ETK插件，先建立与仿真模型形状及尺寸近似的模型，再修改模型能极大的提升建模效率。插件界面及设置参数如下图所示：

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