Maxwell基础教程仿真实例.doc

说明：部分操作因版本不同存在差异
1. 静电场问题实例：平板电容器电容计算仿真
平板电容器模型描述：
上下两极板尺寸：25mm×25mm×2mm，材料：pec（理想导体）
介质尺寸：25mm×25mm×1mm，材料：mica（云母介质）
激励：电压源，上极板电压：5V，下极板电压：0V。
要求计算该电容器的电容值

1.建模（Model）
Project > Insert Maxwell 3D Design
File>Save as>Planar Cap（工程命名为“Planar Cap”）
选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Electric> Electrostatic（静电的）
创建下极板六面体
Draw > Box（创建下极板六面体）
下极板起点：（X,Y,Z）>（0, 0, 0）
坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（25, 25,0）
坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0, 0, 2）
将六面体重命名为DownPlate
Assign Material > pec（设置材料为理想导体perfect conductor）
创建上极板六面体
Draw > Box（创建下极板六面体）
上极板起点：（X,Y,Z）>（0, 0, 3）
坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（25, 25,0）
坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0, 0, 2）
将六面体重命名为UpPlate
Assign Material > pec（设置材料为理想导体perfect conductor）
创建中间的介质六面体
Draw > Box（创建下极板六面体）
介质板起点：（X,Y,Z）>（0, 0, 2）
坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（25, 25,0）
坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0, 0, 1）
将六面体重命名为medium
Assign Material > mica（设置材料为云母mica，也可以根据实际情况设置新材料）
创建计算区域（Region）
Padding Percentage：0%
忽略电场的边缘效应（fringing effect）

电容器中电场分布的边缘效应

2.设置激励（Assign Excitation）
选中上极板UpPlate,
Maxwell 3D> Excitations > Assign（计划，分配） >Voltage > 5V
选中下极板DownPlate,
Maxwell 3D> Excitations > Assign >Voltage > 0V

3.设置计算参数（Assign Executive Parameter）
Maxwell 3D > Parameters > Assign > Matrix （矩阵）> Voltage1, Voltage2
4.设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）
Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup
最大迭代次数： Maximum number of passes > 10
误差要求： Percent Error > 1%
每次迭代加密剖分单元比例： Refinement per Pass > 50%

5. Check & Run

6. 查看结果
Maxwell 3D > Reselts > Solution data > Matrix
电容值：31.543pF

2. 恒定电场问题实例：导体中的电流仿真
恒定电场：
导体中，以恒定速度运动的电荷产生的电场称为恒定电场，或恒定电流场（DC conduction（传导））
恒定电场的源：
（1）Voltage Excitation，导体不同面上的电压
（2）Current Excitations，施加在导体表面的电流
（3）Sink（汇），一种吸收电流的设置，确保每个导体流入的电流等于流出的电流。只有在不使用Voltage Excitation时，才用Sink。保证
DC conduction求解器：
不计算导体外的电场，计算时，不考虑材料的介电常数参数。

例：绘出如下图所示导体结构中的电流流向图

1.建模（Model）
Project > Insert Maxwell 3D Design
File>Save as>Planar Cap（工程命名为“DC Conduction”）
选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Electric> DC Conduction
创建导体Conductor
Draw > Box
起点：（X,Y,Z）>（1, -0.6, 0）
坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（1, 0.2,0.2）
将六面体重命名为Conductor
Assign Material > Copper（设置材料为铜）
创建另3个并列的导体
Select Conductor
Edit > Duplicate（重复）> Along Line（沿线复制）
输入line矢量的第1个点：（0，0，0）
输入line矢量的第2个点：（0，0.4，0）
输入复制总数：4（包括原导体）
创建导体Conductor_4
Draw > Box
起点：（X,Y,Z）>（0.8, -1, 0）
坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0.2, 2.2,0.2）
将六面体重命名为Conductor_4
Assign Material > Copper（设置材料为铜）
创建导体Conductor_5
Draw > Box
起点：（X,Y,Z）>（0.8, -0.4, 0）
坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（-1.2, 0.2,0.2）
将六面体重命名为Conductor_5
Assign Material > Copper（设置材料为铜）
创建导体Conductor_6
Select Conductor_5
Edit > Duplicate > Mirror（镜像复制）
输入对称镜像平面法向量在平面中的第1点坐标：（0，0，0）
输入对称镜像平面法向量在平面外的第2点坐标：（0，1，0）
上述设置表示镜像平面为XOZ平面
将六面体重命名为Conductor_6
创建导体Conductor_7
Draw > Box
起点：（X,Y,Z）>（-0.4，0.6，0）
坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（-0.4, -1.2,0.2）
将六面体重命名为Conductor_sink
Assign Material > Copper（设置材料为铜）
创建计算区域（Region）
Padding Percentage：10%
2.设置激励（Assign Excitation）
按f，将体选择改为面选择
2.1 设置电流注入源
选中如下图所示6个面

Maxwell 3D> Excitations > Assign >Current > 1A
Maxwell 在上述6个面上产生6个输入电流激励源
2.2设置电流汇（Current Sink）
选中Current_sink导体的下列2侧面
Maxwell 3D> Excitations > Assign > Sink

3.设置剖分操作（Assign Mesh Operations）
选中所有物体，Ctrl+A
Maxwell 3D> Mesh operations> Assign> Inside Selection> Length Based
不选Restrict length of elements
选中Restrict the number of elements
输入maximum number of elements：10000（设置剖分单元的最大数量）

4.设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）
Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup
Default

5. Check & Run

6. 后处理
绘出导体中的电流流向图
选中所有导体
Maxwell 3D > Fields > Fields >J > J_Vector
调节矢量箭头尺寸

3. 恒定磁场问题实例：恒定磁场力矩计算
计算如下图所示永磁体模块在线圈磁场中所受力矩。

1.建模（Model）
Project > Insert Maxwell 3D Design
File>Save as>Magnetostatic（静磁）（工程命名为“Magnetostatic”）
选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Electric> Magnetostatic
创建线圈
Draw > Regular Polygon（创建线圈横截面）
中心点坐标： （X,Y,Z）>（0, 5, 0）
设置截面半径：（dX,dY,dZ）>（0.5, 0,0）
截面多边形边数：Number of Segments: 12
将多边形重命名为Coil（线圈）
选中Coil
Draw > Sweep > Around Axis（设置如下）

Assign Material > copper（设置材料为铜）
创建永磁体模型
Draw > Box（创建下极板六面体）
起点：（X,Y,Z）>（-3, -0.5, -0.5）
坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（6,1,1）
将六面体重命名为Magnet（磁铁）
Assign Material > NdFe35（设置材料为NdFe35铷铁硼材料）

设置磁体的磁化方向（X,Y,Z）>（1,0,0）（磁体沿x轴正方向磁化）

创建激励电流加载面（Create Section）
Select Coil
Modeler > Surface > Section
Modeler > Boolean > Separate Bodies（分离两Section面）
删除1个截面
Select 1个截面，Del
将剩下的1个截面重命名为“Section1”

旋转线圈和激励电流加载面
选中 Coil和Section1

创建计算区域（Region）
Draw > Region
Padding Percentage：100%

2.设置激励（Assign Excitation）
选中线圈截面：Section1
Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current
Name: Current1
Value: 100
Type: Stranded（链）

3.设置计算参数（Assign Executive Parameter）
选中 Magnet
Maxwell 3D > Parameters > Assign > Torque
Name: Torque1
Type: Virtual
Axis: Global::Z, Positive

4.设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）
Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup
最大迭代次数： Maximum number of passes ： 15
误差要求： Percent Error: 1%
每次迭代加密剖分单元比例： Refinement per Pass : 30%

5. Check & Run

6. 查看结果
Maxwell 3D > Reselts > Solution data > Torque
力矩：-2.9288E-005 (N·m)

XOY平面磁场强度幅值分布图

XOY平面磁场强度方向矢量图

4. 参数扫描问题实例：恒定磁场力矩计算
计算如下图所示铁块所受线圈磁场的作用力。
要求对线圈中的电流和铁块的高度做参数扫描，计算不同设置值时，作用力的大小。

1.建模（Model）
Project > Insert Maxwell 3D Design
File>Save as> Parametric（工程命名为“Parametric”）
选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Magnetostatic
创建线圈
Draw > Regular Polyhedron（创建多边形柱体1）
Center Position（中心点坐标）： （X,Y,Z）>（0, 0, 0）mm
Start Position（起点坐标）：（X,Y,Z）>（1.25, 0,0）mm
Axis（对称轴）：Z
Height（柱体高度）：0.8mm
多边形边数：Number of Segments: 36
将多边形重命名为Polyhedron1

选中Polyhedron1（创建多边形柱体2）
CTRL_C，CTRL_V
修改相关设置
Center Position（中心点坐标）： （X,Y,Z）>（0, 0, 0）mm
Start Position（起点坐标）：（X,Y,Z）>（1, 0,0）mm
Axis（对称轴）：Z
Height（柱体高度）：0.8mm
多边形边数：Number of Segments: 36
将多边形重命名为Polyhedron2

创建线圈
选中Polyhedron1，Polyhedron2
Modeler（建模） > Boolean > Subtract（减去）
Blank Park: Polyhedron1
Tool Park: Polyhedron2
将Polyhedron1重命名为Coil
Assign Material > copper（设置材料为铜）

创建铁块模型
Draw > Box
任意创建一个6面体
尺寸参数设置如下：
注意：ZSize参数的值为：“SlugHeight”

将六面体重命名为Slug
Assign Material > iron（设置材料为iron）

创建计算区域（Region）
Draw > Region
Padding Percentage：200%

创建激励电流加载面（Create Section）
Select Coil
Modeler > Surface > Section
Section Plane: YZ平面
Modeler > Boolean > Separate Bodies（分离两Section面）
删除1个截面
Select 1个截面，Del
将剩下的1个截面重命名为“Section1”

2.设置激励（Assign Excitation）
选中线圈截面：Section1
Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current

Value: AmpTurns
Type: Stranded（线形激励电流）

3.设置计算参数（Assign Executive Parameter）
选中 Slug（弹头）
Maxwell 3D > Parameters > Assign > Force
Name: Force 1
Type: Virtual

4.设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）
Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup
最大迭代次数： Maximum number of passes ： 5
误差要求： Percent Error: 1%
每次迭代加密剖分单元比例： Refinement per Pass : 30%

5. 创建参数扫描设置
Maxwell 3D > Optimetrics Analysis > Add Parametric
点击Add，创建扫描参数
variable选择： SlugHeight
linear step
Start =1, Stop =2, Step = 0.5
点击Add >>按键
将SlugHeight的扫描设置添加到右边空白栏

variable选择： AmpTurns （设置安匝数的扫描）
linear step
Start =100, Stop =200, Step =50
点击Add >>按键
将AmpTurns的扫描设置添加到右边空白栏
点击OK.

点击 Calculations子菜单
点击 Setup Calculations

点击Add Calculations

Setup1出现在Setup Sweep Analysis菜单中
点击Done
在Options 子菜单中
选中如下设置

“Save Field and Mesh ” :在每一步参数扫描计算后，保存相应的计算场量和剖分信息，一般，系统为节约内存，默认不保存。
“Copy geometrically equivalent meshes” 在下次计算中，可重复使用上次计算时未变形的模块的剖分数据。一般来说，频率扫描时，不推荐使用该选项，因为Ansoft的剖分算法是与频率相关的。

5. Check
6.计算
在Project Manager 窗口
Optimetrics
右键点击 ParametricSetup1
选择 Analyze
7. 查看结果
右键点击 ParametricSetup1
选择View Analysis Result

在Project Manager 窗口
右键点击Create Report

设置参数如下：

点击New Report

5. 恒定磁场实例：三相变压器电感计算
计算如下图所示变压器绕组的电感。（学习半对称模型的使用half-symmetry）

1.建模（Model）
Project > Insert Maxwell 3D Design
File>Save as> Inductance （工程命名为“Inductance”）
选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Magnetostatic
改变作图单位Modeler > Units > Select Units: in (inches)

创建变压器铁芯框架
Draw > Box
Position： （-1,-6,0）
Box尺寸：（XSize, YSize, ZSize）>（2,12,10）
Draw > Box
Position： （-1,1 ,2）
Box尺寸：（XSize, YSize, ZSize）>（2,3,6）
选中Box2
Edit > Duplicate > Around Axis
Axis: Z
Angle: 180 deg
Total number: 2
选中Box1 ，Box2，Box2_1
Modeler > Boolean > Subtract
Blank Parts: Box1
Tool Parts: Box2，Box2_1
不要选：“Clone tool objectsbefore subtracting”
Draw > Box（创建Gap（缺口））

选中Box1 ，Box3
Modeler > Boolean > Subtract
Blank Parts: Box1
Tool Parts: Box3
不要选：“Clone tool objectsbefore subtracting”
选中Box1
Modeler > Boolean > Separate Bodies
将分离后的模型分别重命名为：“Core_E”（原Box1）和“Core_I”
将两者的材料重设为：“steel_1008” steel（钢）
创建线圈
Modeler > Grid Plane > YZ
Draw > Rectangle
设置如下：

Modeler > Grid Plane > XY
Draw > Rectangle
设置如下：

选中Rectangle2
Modeler > Delete Last Operation（形成Rectangle1围绕的轨迹）
选中Rectangle1，Rectangle2
Draw > Sweep > Along Path（可以形成环形线圈）
Angle of twist: 0deg
Draft Angle: 0deg
Draft type: Round
选中Rectangle1
Edit > Duplicate > Along Line
（X,Y,Z）>（ 0, 0, 0）
（dX,dY,dZ）>（0, 0, 1.925）
Total Number: 3
选中Rectangle1, Rectangle1_1, Rectangle1_2
Edit > Duplicate > Along Line
（X,Y,Z）>（ 0, 0, 0）
（dX,dY,dZ）>（0, 5,0）
Total Number: 3
将Rectangle1, Rectangle1_1和 Rectangle1_2重命名为：Coil_left, Coil_left_1, Coil_left_2
将中间柱上线圈重命名为：Coil_mid, Coil_ mid _1, Coil_ mid _2
将右边柱上线圈重命名为：Coil_right, Coil_ right _1, Coil_ right _2
将所有Coil的材料改为Copper
创建激励电流加载面（Create Section）
选中所有线圈
Modeler > Surface > Section
选中YZ平面
Modeler > Boolean > Separate Bodies
Edit > Delete（删除多余的面）
将左边柱上的截面重命名为：Section1, Section2 , Section3
将中间柱上的截面命名为：Section4, Section5 , Section6
将右边柱上的截面命名为：Section7, Section8 , Section9

创建计算区域（Region）
Draw > Region

2.设置激励（Assign Excitation）
选中左边柱上线圈截面：Section1, Section2 , Section3
Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current
Name: PhaseA
Value: -0.5*Mag
Type: Stranded
确认，弹出Add Variable窗口
Variable：Mag > Value: 30A
选中中间柱上线圈截面：Section4, Section5 , Section6
Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current
Name: PhaseB
Value: Mag
Type: Stranded
选中右边柱上线圈截面：Section7, Section8 , Section9
Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current
Name: PhaseC
Value: -0.5*Mag
Type: Stranded

3.设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）
Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup
最大迭代次数： Maximum number of passes ： 10
误差要求： Percent Error: 1%
每次迭代加密剖分单元比例： Refinement per Pass : 30%
设置非线性残差：nonlinear residual: 0.001

4.设置计算参数（Assign Executive Parameter）
设置参数Matrix1（此处设置可以实现串并联和线圈匝数的设置）
Maxwell > Parameters > Assign > Matrix
弹出Matrix 窗口
在Setup子菜单下，include栏中确认打钩
在Post Processing子菜单下，Turns栏中全部改为30
选中PhaseA_1, PhaseA_2, PhaseA_3
点击按键：Group ->
将Group名改为PhaseA
选中PhaseB_1, PhaseB_2, PhaseB_3
点击按键：Group ->
将Group名改为PhaseB
选中PhaseC_1, PhaseC_2, PhaseC_3
点击按键：Group ->
将Group名改为PhaseC
如下图所示：

每个线圈有30匝，在同一个柱上的3个线圈是串联连接。
设置参数Matrix2
Maxwell > Parameters > Assign > Matrix
弹出Matrix 窗口
在Setup子菜单下，include栏中确认打钩
在Post Processing子菜单下，Turns栏中全部改为15
选中PhaseA_1, PhaseA_2, PhaseA_3
点击按键：Group ->
将Group名改为PhaseA
选中PhaseB_1, PhaseB_2, PhaseB_3
点击按键：Group ->
将Group名改为PhaseB
选中PhaseC_1, PhaseC_2, PhaseC_3
点击按键：Group ->
将Group名改为PhaseC
Branches全部改为3
如下图所示：

每个线圈有15匝，在同一个柱上的3个线圈是串联连接。

5. Check & Run

6. 查看结果
Parameters > Matrix>(点击右键)选择：View Solution

继续仿真（根据模型的对称特点重新建模）

1.创建对称模型
右键点击Project Manager窗口中的MaxwellDesign1
Copy
右键点击Project Manager窗口中的inductance
Paste
拷贝了原工程
Ctrl+A选中所有物体
将原模型以YZ平面为对称面劈开，保留X轴正半轴的部分。
Modeler > Boolean > Split（分割）
Split Plane : YZ
Keep Fragments: Positive side
Split Objects: Split entire selection

2.修改计算区域
Draw > Region
+X: 800
-X: 0

3.设置激励
将模型旋转到Split面朝外
按“f”键，切换选择方式为：面选择
选中最右边的线圈截面
Maxwell > Excitations > Assign > Current

Base Name: PhaseA_in
Value: -0.5*Mag
Type: Stranded
选中最右边线圈的另一截面：

Maxwell > Excitations > Assign > Current
Base Name: PhaseA_out
Value: -0.5*Mag
Type: Stranded
点击 Swap（交换）（ Direction ，保证电流的方向是流出截面。

选中中间的线圈截面

Maxwell > Excitations > Assign > Current
Base Name: PhaseB_in
Value: Mag
Type: Stranded
选中中间线圈的另一截面：

Maxwell > Excitations > Assign > Current
Base Name: PhaseB_out
Value: Mag
Type: Stranded
点击 Swap Direction，保证电流的方向是流出截面。

选中最左边的线圈截面

Maxwell > Excitations > Assign > Current
Base Name: PhaseC_in
Value: -0.5*Mag
Type: Stranded
选中最左边线圈的另一截面：

Maxwell > Excitations > Assign > Current
Base Name: PhaseC_out
Value: -0.5*Mag
Type: Stranded
点击 Swap Direction ，保证电流的方向是流出截面。
激励设置完毕

4.设置计算参数（Assign Executive Parameter）
Maxwell > Parameters > Assign > Matrix
弹出Matrix 窗口
在Setup子菜单下，include栏中确认打钩
在Post Processing子菜单下，Turns栏中全部改为30
选中PhaseA_in_1, PhaseA_ in_2, PhaseA_ in_3
点击按键：Group ->
将Group名改为PhaseA
选中PhaseB_ in_1, PhaseB_ in_2, PhaseB_ in_3
点击按键：Group ->
将Group名改为PhaseB
选中PhaseC_ in_1, PhaseC_ in_2, PhaseC_ in_3
点击按键：Group ->
将Group名改为PhaseC
5. Check & Run

6. 查看结果
Parameters > Matrix>(点击右键)选择：View Solution

计算结果为原来的一半，因为模型也是原来的一半。

6. 永磁体磁化方向设置：局部坐标系的使用
绘制4个同样形状的环状永磁体，对其设置不同的磁化方向，显示每个永磁体磁环的磁场分布。

1.建模（Model）
Project > Insert Maxwell 3D Design
File>Save as> Magnet（工程命名为“Magnet”）
选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Magnetostatic
右键点击项目管理器中的MaxwellDesign1，重命名为Ring01

创建第1个磁环
Draw > Regular Polyhedron（创建多边形柱体1）
输入center position：
（X,Y,Z）: （0, 0, -4）
输入圆柱体的半径和高度：
（dX,dY, dZ）: （40, 0, 8）
Number of segments ：36
将RegularPolyhedron1重命名为Ring01_1，颜色改为blue

Draw > Regular Polyhedron（创建多边形柱体2）
输入center position：
（X,Y,Z）: （0, 0, -4）
输入圆柱体的半径和高度：
（dX,dY, dZ）: （30, 0, 8）
Number of segments ：36
将RegularPolyhedron1重命名为Hole

选中Ring01_1和Hole（用Ring01_1减去Hole，得到圆环柱）
Modeler >Boolean > Subtract
Blank Parts: Ring01_1
Tool Parts: Hole

2. 设置磁环Ring01_1的材料
选中Ring01_1
Assign Material
Add Material
Material Name Mag01
Material Coordinate System Cylindrical
Magnitude（大小） -837000
R Component 1
Ring01_1磁环以全局坐标系Global的Z轴为对称轴，其磁化方向以Z轴为轴心线，向外沿半径方向发散。

创建第2个磁环
选中Ring01_1
右键：Edit > Duplicate >Along Line
（X,Y,Z）：（0,0,0）
（dX,dY,dZ）：（120,0,0）
Total Number: 2
将Ring01_1_1重命名为：Ring01_2

创建局部坐标系：RelativeCS_Mag01_2
Modeler > Coordinate（坐标）（ System > Create > Relative CS > Offset
（X,Y,Z）：（120,-50,0）设置局部坐标系的坐标原点
双击Coordinate Systems栏下的RelativeCS1，将其重命名为：RelativeCS_Mag01_2

选中Ring01_2
鼠标右键点击，Edit > Properties
将Ring01_2磁环的工作坐标系改为局部坐标系RelativeCS_Mag01_2：

Ring01_2磁环以局部坐标系RelativeCS_Mag01_2的Z轴为对称轴，磁化方向向外沿半径方向发散。

将工作坐标系切换回Global坐标：
Modeler > Coordinate System > Set Working > Global

创建磁环3和磁环4
选中Ring01_1和Ring01_2
右键：Edit > Duplicate >Along Line
（X,Y,Z）：（0,0,0）
（dX,dY,dZ）：（0,120,0）
Total Number: 2
将Ring01_1_1重命名为：Ring02_1
将Ring01_2_1重命名为：Ring02_2

创建Ring02_2磁环的局部坐标系：RelativeCS_Mag02_2
Modeler > Coordinate System > Create > Relative CS > Both
（X,Y,Z）：（120,120,0）设置局部坐标系的坐标原点
设置坐标系的翻转：
（dX,dY,dZ）：（1, 0,0），Enter
（dX,dY,dZ）：（0, 0,-1）, Enter
双击Coordinate Systems栏下的RelativeCS1，将其重命名为：RelativeCS_Mag02_2

将工作坐标系切换回Global坐标：
Modeler > Coordinate System > Set Working > Global

选中Ring02_2
鼠标右键点击，Edit > Properties
将Ring02_2磁环的工作坐标系改为局部坐标系RelativeCS_Mag02_