1 概述

Maxwell 2D瞬態(tài)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(tài)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(tǒng)多線程技術(shù)調(diào)用多處理器并行求解同一個任務(wù)。

由于Maxwell 2D對內(nèi)存需求小，因此更適合對多設(shè)計變量進(jìn)行分布式計算(DSO)，DSO可以調(diào)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(guī)加速技巧

2.1 仿真結(jié)束時更新報告

執(zhí)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(shè)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(biāo)右鍵點擊Result>Plot>Update Report，手動更新報告。

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(tài)時間步時，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)點要夠多，最好也要有低磁場段的數(shù)據(jù)。

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(wǎng)格數(shù)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(jìn)一步簡化為1/4模型，減少計算網(wǎng)格數(shù)量，加快求解進(jìn)度。

(a) 1/2模型

(b) 1/4模型 使用對稱邊界條件

2.5 通過網(wǎng)格查找模型低效區(qū)

通過執(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)，我們可以簡化模型。一般在導(dǎo)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(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)。

用戶可以用布爾運算做模型局部的簡單處理，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，請注意導(dǎo)入對話框中的stitching tolerance設(shè)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(tài)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(tài)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(shù)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(shù)、速度、負(fù)載扭矩做參數(shù)化設(shè)計，或者使用Machine Toolkit，可以采用DSO和大規(guī)模DSO (LSDSO)計算技術(shù)。

分布式計算(DSO)

HPC中設(shè)置DSO數(shù)量

激活LSDSO

編輯計算節(jié)點列表 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，比如用電壓源激勵繞組設(shè)置(Y接法)、電流源激勵繞組設(shè)置、端部連接設(shè)置等，這種情況下瞬態(tài)仿真速度會快一點。

電壓源激勵繞組設(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)。因為Lamination模型做了一些復(fù)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(shù)。

Lamination改為solid

B值經(jīng)過等效計算

2.10 不使用“Advanced Core Loss Option”

在鐵耗設(shè)置里，高級選項設(shè)置通常不會對仿真結(jié)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(shù)據(jù)，并按照指定的時間步長計算仿真表達(dá)式，這樣在仿真過程中不需要保存瞬態(tài)場數(shù)據(jù)。但表達(dá)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(shù)，從而加速瞬態(tài)仿真。

ExpressionCache選項卡

2.12 不在每個時間步都保存場數(shù)據(jù)

在瞬態(tài)場設(shè)置SaveFields下，設(shè)置保存場數(shù)據(jù)。對于瞬態(tài)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(shù)據(jù);

(3)不保存場數(shù)據(jù)或只保存指定點。

保存場數(shù)據(jù)

2.13 采用電流源激勵

與電感相關(guān)的L/R時間常數(shù)，會導(dǎo)致瞬態(tài)仿真時間變長。如果繞組上設(shè)置電流源激勵，那么激勵源是不包含電氣時間常數(shù)的，這將減少達(dá)到穩(wěn)態(tài)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(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)的計算量，因此仿真需要更長的時間。

需要明確的是，Maxwell 2D瞬態(tài)仿真時，大多數(shù)情況下渦流效應(yīng)是需要考慮的，如計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

運動設(shè)置對瞬態(tài)仿真影響很大，也包括仿真時間。有時瞬態(tài)仿真沒有運動設(shè)置也能獲取等效信息，但是大部分情況運動設(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)速度而不考慮機械瞬態(tài)。

機械瞬態(tài)會涉及復(fù)雜的機電時間常數(shù)(阻尼系數(shù)，轉(zhuǎn)動慣量等)，除非能提前控制時間常數(shù)來嚴(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 采用更大的時間步Time Step

仿真時可以設(shè)置較大的時間步，這樣可以加速仿真。但在某些情況下，設(shè)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(tài)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(guān)閉退磁計算，加快求解速度。

退磁計算設(shè)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(jié)

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

其中常規(guī)加速技巧，包括：仿真結(jié)束時更新報告、使用Tau Mesh網(wǎng)格、使用平滑的BH曲線、使用對稱邊界條件、通過網(wǎng)格查找模型低效區(qū)、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(shù)據(jù)、采用電流源激勵、不考慮Eddy Effects、移除Motion Setup或者設(shè)置恒轉(zhuǎn)速、采用更大的時間步Time step、移除動態(tài)退磁計算、移除磁滯材料建模等方法等。

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

審核編輯：湯梓紅