ANSYS低压电器仿真解决方案独有的、业界领先的竞争优势有利于企业便捷、高效、高精度、全面地预测和改进低压开关性能，实现从电磁到多物理场耦合设计、从部件到系统集成化设计。

技术挑战

低压电器概述

电磁式电器的结构

- 电磁机构：作动器

- 执行机构

- 灭弧系统

作动器的发展方向

- 精简化、智能化、通用化，高效率

- 小型化，高可靠性

低压电器所关注的问题

电磁设计

- 电磁优化设计

> 吸合性能、吸合时间

> 剩磁力

- 部件和系统集成化设计

结构设计

- 强度和刚度

> 外壳、主轴、卡簧、螺栓等

- 寿命、振动和噪声

> 执行机构、传动机构等

> 模态、瞬态响应分析，振动、气动噪声分析

流体设计

- 发热与散热

> 冷却效果分析

- 灭弧效果

作动器设计挑战

技术挑战

- 电磁优化设计

- 电磁-结构-散热优化设计

- 作动器本体和控制系统集成化设计

企业挑战

- 平衡作动器性能、成本、尺寸，提高性价比

- 加速作动器研发进程，缩短产品上市周期

- 提高作动器企业的市场竞争力

设计挑战

- 如何高效地实现作动器电磁优化设计？

- 如何综合实现作动器电磁-结构-散热优化设计？

- 如何无缝实现作动器本体和控制系统集成化设计？

- 如何平衡作动器性能、成本、尺寸，提高性价比？

- 如何加速作动器研发进程，缩短产品上市周期？

- 如何提高作动器企业的独有市场竞争力？

电磁式低压电器关键技术问题

ANSYS集成化设计解决方案

基于ANSYS Workbench的多物理场仿真平台

ANSYS技术优势

方案全面：解决低压电器的诸多设计难题

- 从部件到系统

- 从单领域到多领域

- 从单物理场到多物理场

- 多场耦合优化设计：提高性价比

工具先进

- 相关设计工具为业界领先

- 完整的设计解决方案为业界独有

典型应用

作动器电磁优化设计

- 项目背景

这个项目是ANSYS和TRW合作完成，主要采用ANSYS作动器设计解决方案和流程帮助客户设计和优化产品，包括形状、体积、作用力、闭合时间，以及系统性能等。

- 项目挑战

如何精确预测作动器的瞬态电磁特性，并优化其形状、材料、绕组等，满足电磁力要求的同时最大限度减小闭合时间和体积、成本，至关重要。

- 解决方案

基于ANSYS设计流程，采用Maxwell实现作动器瞬态优化设计，结合Mechanical实现电磁、热、结构耦合设计；结合Fluent实现流体负载力计算；结合Simplorer和Fluent实现系统设计。

- 重要价值

正如TRW的工程师Dave Collins所言，ANSYS解决方案可以帮助客户全面、深入地研究设计参数对作动器瞬态电磁特性的相互影响，便捷地优选出最佳性价比的设计方案，精确预测产品电磁、热、结构、控制性能，缩短研发周期、提高产品竞争力。

作动器电磁、热、流体耦合设计

- 项目背景

这个项目是ANSYS和Nass Magnet合作完成。主要采用ANSYS作动器设计流程帮助客户实现电磁优化设计、高效热分析、系统性能预测等。

- 项目挑战

如何在有限的研发时间内，高效、便捷地预测作动器的热性能和系统性能，至关重要。

- 解决方案

采用Maxwell实现作动器优化设计，结合Fluent精确计算散热系数，并用于Mechanical电磁、热耦合分析，实现便捷、高效、精确的电磁、热耦合分析；结合Fluent和Simplorer协同仿真，实现高精度系统设计。

- 重要价值

ANSYS解决方案既可帮助客户便捷地优化瞬态电磁性能，又可实现全面的多物理域耦合分析，还可根据客户不同设计阶段的具体需求探索最佳的设计方法和流程，精确预测产品性能的同时，缩短研发周期、提高产品竞争力。

作动器集成化系统设计

有限元仿真基本流程

电磁设计——静态、瞬态电磁性能优化

集成化电磁设计环境

Ansoft桌面在多个平台上保持一致（Maxwell、ePhysics、HFSS、Simpler V8等）。不同的设计类型共存于同一个项目中，这允许不同模拟类型之间的无缝设计流。还显示了一些用于确定设备尺寸或计算线圈性能的设计变量。

二维和三维模型共存，复制/粘贴对象时，与这些对象关联的变量跟随对象，从而增强了复制对象的能力。

参数化建模

Maxwell具有强大的参数化建模功能

- 线圈参数定义成线规的函数

- 基于线圈尺寸自动计算匝数和电阻

设置这些参数扫描以将模拟与测量进行比较。我们测量了：

- 力与间隙（特定电流下）

- 力与电流（特定间隙处）

材料建模功能

Maxwell具有强大的开放式材料库

- 支持非线性铁磁材料建模和仿真

- 支持永磁体充磁和退磁分析

- 支持磁滞材料建模和仿真

虽然模拟和测量之间的相关性很好，但在较高的电流和/或较小的间隙处开始出现轻微偏差。这自然要求我们仔细观察BH曲线以及它与受试材料的关系。

功能强大的求解功能

瞬态场求解器

- 不同形式的运动

- 涡流效应计算

- 任意类型的激励

现在让我们从静态模拟力转移到实际的瞬态模型，该模型包括运动、涡流效应、电驱动电路和负载。将解决方案类型从“静磁”更改为“瞬态”后，我们可以为运动设置输入数据。我们还可以指定要考虑涡流效应的对象。

我们用我们的设计变量指定了一个电压源，用于匝数、线圈电阻和电压。请注意，磁扩散会影响力的累积，而力的累积只能发生在磁通累积之后。磁扩散是L/R时间常数的函数（激励频率-这里有点不同，因为我们有一个阶跃电压输入和产生的L/R电流上升），磁性材料的电导率，材料的磁导率（设备开始饱和时是非线性的，是时间的函数）和设备的物理尺寸。

场路耦合控制系统

不同的电路连接形式

- 可以和Maxwell外电路直接耦合仿真，能够分析更复杂的控制特性，

- 可以直接与Simplorer联合，实现复杂的控制算法

此外，可以通过直接耦合到FEA解决方案的外部定义电路来控制励磁。该电路包括线圈端子之间的齐纳二极管。这两个子电路控制开关的定时。该电路是装置的滞后电流控制，一旦装置关闭，将保持电流在预定义的上下电流值。这允许设备在较低的功率水平下保持关闭，并防止线圈过热。

控制分析案例

电流斩波控制

通过与位置曲线（红色）相对应的电流波形（蓝色）中的反电动势下降，可以清楚地看到执行器的关闭。齐纳二极管电流也显示为绿色。

注意，滞后控制将电流保持在控制电路规定的上限和下限范围内。我们还能够指定电路中使用的时间步，独立于FEA时间步，这确保我们捕获迟滞控制的切换瞬间，而不超过或低于电流限制。

参数化和优化设计案例：电磁力优化

作动器究竟采用什么磁极形状才能更好的满足电磁力需求？

- 满足弹簧的特性曲线

优化变量

> Gap

> Core Step Height

> Core Step Radius

> Armature Step Height

> Armature Step Radius

通过在“设计特性”窗口中检查模型中存在的变量，可以选择这些变量进行优化。上图中列出并显示了此优化中使用的变量。

- 支持多种优化算法

> Sequential Nonlinear Programming

> Sequential Mixed Integer Nonlinear Programming

> Quasi Newton

> Patten Search

> Genetic Algorithm

创建新的优化：选择优化类型–此处的列表显示可用的优化类型。在线帮助中有对这些内容的描述，它与我们的应用工程师一起可以为选择使用哪种工具提供一些指导。

通常，我们使用优化来满足成本函数。可以创建一个成本函数来满足电感、力或场值等。此处还显示了带有4个变量的窗口，并指定了最小/最大值。

- 成本函数寻优

以上是模拟结果。成本与迭代的关系图显示了优化的结果。当我们对结果表进行排序时，我们可以选择最低的成本值并找到赢家。

注意：此模拟作为2D分析执行，并解决了50次迭代。每种溶液约需50秒，因此总溶解时间不超过45分钟。这可以在三维模型上执行，但求解时间显然会更长–这将是使用分布式求解的一个很好的候选者。

在本例中，优胜者的设计被导出到此处显示的三维模型中。

- 偏心造成的侧向力

不同形式的偏心

> 整体水平偏移

> 轴向倾斜

- 侧向力与偏移程度的关系曲线

- 侧向力与偏移大小和衔铁间隙的关系曲线

- 衔铁扭矩与衔铁倾斜角度的关系曲线

结构设计——结构、强度、模态分析

典型应用

启动工况结构强度分析

- 项目描述

分析作动器在启动工况和最大行程工况时的结构强度及其固有频率

- 解决方案

采用Ansys Mechanical软件分析作动器两种工况下的结构强度及固有频率

最大行程工况结构强度分析

作动器启动工况时的结构分析，最大位移为0.412mm，最大应力为264.35Mpa

最大行程工况模态分析

通过模态分析，可以固有频率：

一阶：28.136Hz

二阶：43.26Hz

三阶：94.279Hz

四阶：102.54Hz

五阶：133.55Hz

六阶：163.72Hz

多物理场耦合设计

电磁场-结构场耦合分析

基于Workbench的电磁力映射流程

电磁场-温度场计算

基于Workbench的损耗映射流程

低压开关电弧仿真

- 电弧建模

> 属性为等离子体

- 计算电弧引起的空间磁场分布

> 考虑电弧的位置和形状

> 耦合流体运动和电磁场

> 考虑了材料的非线性特性

- Maxwell/FLUENT 耦合

> 需要UDF实现数据交换

电弧是气体的电气击穿，产生持续的等离子体放电，这是由于电流通过通常不导电的介质（如空气）而产生的。两个金属棒之间的等离子，涉及流体运动和电磁学的耦合。

低压开关电弧仿真流程

注：标准麦克斯韦映射功能用于将麦克斯韦量映射到Fluent网格UDF用于将Fluent网格的电导率映射到Maxwell网格

电弧仿真结果

电流从右向左流动。电路已断开（电极已分离）。但是，仍然有电流流过电弧。分流板将电弧赶走并断开电路。

动开距电弧计算

Fluent (WIP)

- RBF Morph/ MDM approach in