1 概述

Maxwell 2D瞬態磁場分析中，通常有幾種常用的加速方法，而對于特定模型如電機、作動器、變壓器等，也有一些特定的加速方法。本文將介紹一些針對Maxwell 2D瞬態場的加速技巧。用戶需要注意的是Maxwell 2D沒有超線程功能，不能像Maxwell 3D那樣，使用傳統多線程技術調用多處理器并行求解同一個任務。

由于Maxwell 2D對內存需求小，因此更適合對多設計變量進行分布式計算(DSO)，DSO可以調用所有計算機參與計算。除DSO外，也可以在計算機集群或者多核機器上，采用時間分解方法(TDM)求解多時間步的工程，加快求解速度。

2 常規加速技巧

2.1 仿真結束時更新報告

執行Tools>>Options>>General Options…，點擊Desktop Performance tab Design Type: “Maxwell 2D” Dynamically update post-processing data for new solutions：“On Completion”

Options選項卡 通過以上設置，報告將在求解完成后更新，不會每完成一個時間步就更新一次。用戶也可以通過鼠標右鍵點擊Result>Plot>Update Report，手動更新報告。

2.2 使用Tau Mesh網格

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

Mesh Settings Classic Mesh是經典的網格剖分，采用的是Delaney算法，Tau Mesh適合帶有弧線或弧面的模型，網格平滑度和質量更好，相比網格數量更少，因此計算速度更快。

2.3 使用平滑的BH曲線

采用平滑的BH曲線，可以在求解每個瞬態時間步時，提升非線性迭代能力。BH曲線及其導數曲線都要平滑，而且數據點要夠多，最好也要有低磁場段的數據。

平滑的BH曲線

2.4 使用對稱邊界條件

盡可能使用對稱或周期邊界條件，減小總體網格數量。可以通過主從邊界條件縮減模型，如下圖可將1/2模型進一步簡化為1/4模型，減少計算網格數量，加快求解進度。

(a) 1/2模型

(b) 1/4模型 使用對稱邊界條件

2.5 通過網格查找模型低效區

通過執行Maxwell2D>>Analysis Setup>>Generate Mesh，可查看模型的網格情況(例如，查看XY平面)，如果在一些模型點或邊上網格數量較多(特別是細小特征處)，我們可以簡化模型。一般在導入的模型時，會遇到一些問題，例如下面幾種情況，通常需要處理：

(1)導入的模型中，在曲線邊緣上有許多小分段/小平面;

(2)導入的模型中， 有曲線邊相交;

(3)導入的模型中， 有細小特征(孔，倒角，圓角)。

用戶可以用布爾運算做模型局部的簡單處理，或者使用菜單Modeler>>Model Preparation>>Heal commands.，進行模型整體修復。

當導入.dxf 或者.dwg 格式，請注意導入對話框中的stitching tolerance設置。

2.6 使用(TDM)時間分解法同時求解所有時間步

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

(TDM)時間分解法 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選項卡

2.7 分布式計算(DSO)

DSO支持任意參數化變量的并行求解。用戶如果希望對幾何形狀、激勵、材料、電路參數、速度、負載扭矩做參數化設計，或者使用Machine Toolkit，可以采用DSO和大規模DSO (LSDSO)計算技術。

分布式計算(DSO)

HPC中設置DSO數量

激活LSDSO

編輯計算節點列表 以上介紹的仿真加速技巧，適用于所有的Maxwell 2D 瞬態分析。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置代替，比如用電壓源激勵繞組設置(Y接法)、電流源激勵繞組設置、端部連接設置等，這種情況下瞬態仿真速度會快一點。

電壓源激勵繞組設置(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置疊壓系數，或者在BH曲線中按比例等效體現。因為Lamination模型做了一些復雜的處理，在3D中相對效率高一些，但在2D中會降低仿真速度。

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。

Lamination改為solid

B值經過等效計算

2.10 不使用“Advanced Core Loss Option”

在鐵耗設置里，高級選項設置通常不會對仿真結果有太大影響。實際上，勾選了高級選項，鐵耗計算會考慮鐵耗對對磁場的影響，增加一點仿真時間。分析計算中一般很少需選擇“Advanced Core Loss”選項，因此如無必要，請不要勾選。

Advanced Core Loss選項

2.11 不在每個時間步都計算“Expression Cache”

Expression Cache用于保存場數據，并按照指定的時間步長計算仿真表達式，這樣在仿真過程中不需要保存瞬態場數據。但表達式計算在仿真過程中需要一些時間，因此會降低仿真的速度。用戶可以控制用于計算Expression Cache的時間步長，減少計算次數，從而加速瞬態仿真。

ExpressionCache選項卡

2.12 不在每個時間步都保存場數據

在瞬態場設置SaveFields下，設置保存場數據。對于瞬態場分析，如果有很多的時間步以及很多變量，不需要都保存。用戶可以考慮以下選項：

(1)每間隔N個時間步保存一次;

(2)只保存最后一個周期場數據;

(3)不保存場數據或只保存指定點。

保存場數據

2.13 采用電流源激勵

與電感相關的L/R時間常數，會導致瞬態仿真時間變長。如果繞組上設置電流源激勵，那么激勵源是不包含電氣時間常數的，這將減少達到穩態所需的仿真時間。

電流源激勵

2.14 不考慮Eddy Effects

不考慮EddyEffects有兩個好處。其一是，Eddy Effects和仿真的L/R時間常數有關，如果不考慮渦流效應的情況，可以更快地達到穩態。其二是，Eddy Effects增加了未知數的計算量，因此仿真需要更長的時間。

需要明確的是，Maxwell 2D瞬態仿真時，大多數情況下渦流效應是需要考慮的，如計算磁鋼的渦流損耗等，因此要根據具體仿真的問題，選擇是否考慮渦流效應。

Set Eddy Effect

2.15 移除Motion Setup或者設置恒轉速

運動設置對瞬態仿真影響很大，也包括仿真時間。有時瞬態仿真沒有運動設置也能獲取等效信息，但是大部分情況運動設置是必要的。因此為了快速達到穩態，可以設置恒轉速度而不考慮機械瞬態。

機械瞬態會涉及復雜的機電時間常數(阻尼系數，轉動慣量等)，除非能提前控制時間常數來嚴格抑制系統響應，否則，僅設置恒定轉速而不考慮機械瞬態，將是達到穩態的最快方法。

Motion Setup

2.16 采用更大的時間步Time Step

仿真時可以設置較大的時間步，這樣可以加速仿真。但在某些情況下，設置小一點的時間步也能加速仿真，如求解的問題有很強的非線性時。

Solve Setup

2.17 移除動態退磁計算

退磁計算可在有需要時用，無必要時不用。用戶可關閉退磁計算，加快求解速度。

退磁計算設置

2.18 移除磁滯材料建模

磁滯材料可在有需要時用，無必要時可選用其它非磁滯材料。

材料選擇

3 總結

在Maxwell 2D瞬態磁場分析中，用戶可通過常規加速技巧及特定模型加速技巧，來加快仿真速度。

其中常規加速技巧，包括：仿真結束時更新報告、使用Tau Mesh網格、使用平滑的BH曲線、使用對稱邊界條件、通過網格查找模型低效區、使用(TDM)時間分解法同時求解所有時間步、分布式計算(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” 、不在每個時間步都計算“ Expression Cache” 、不在每個時間步都保存場數據、采用電流源激勵、不考慮Eddy Effects、移除Motion Setup或者設置恒轉速、采用更大的時間步Time step、移除動態退磁計算、移除磁滯材料建模等方法等。

通過常規加速技巧及特定模型加速技巧可以加快求解速度，為電機工程師的分析計算提高效率。

審核編輯：湯梓紅