ANSYS采用ANSYS Maxwell、Q3D、Twin Builder等電磁仿真軟件，從線纜線束設(shè)計(jì)、寄生參數(shù)RLCG提取、到系統(tǒng)電磁兼容提供了全面仿真分析。

創(chuàng)建模型

ANSYS在Maxwell軟件基礎(chǔ)上提出針對(duì)用戶定制化的“線纜線束設(shè)計(jì)工具包”，幫助客戶參數(shù)化建立特定幾何模型，通過算法技術(shù)處理，使用二維幾何計(jì)算模型，反應(yīng)真實(shí)三維線纜線束實(shí)體結(jié)構(gòu)，能動(dòng)態(tài)、高效建立模型并求解，大大提高工作效率。

圖1 典型功率電纜剖面視圖

圖1展示了典型功率電纜幾何定義，功率電纜規(guī)格多，主題有功率線芯、護(hù)套、鎧裝、冷卻管道等。

ANSYS提供的基于Maxwell軟件的參數(shù)化輸入“線纜線束設(shè)計(jì)工具包”， 功率電纜參數(shù)化定義界面如圖2所示，分別輸入功率線、護(hù)套、鎧裝、冷卻管等尺寸參數(shù)和材料，即可以自動(dòng)生成如圖1所示之幾何模型，修改模型參數(shù)十分方便，自動(dòng)實(shí)時(shí)更新幾何尺寸。

圖2 線纜設(shè)計(jì)工具主界面

為了提高電纜線芯利用率，消除電流趨膚效應(yīng)等影響，工程上需要對(duì)線芯換位處理，即絞線。“線纜線束設(shè)計(jì)工具包”充分考慮了各種換位絞線策略，通過設(shè)計(jì)工具定義，能直觀地用二維模型精確地處理三維結(jié)構(gòu)，圖3展示了設(shè)計(jì)工具包的計(jì)算策略，通過L_p和r_t分別定義絞線半徑和節(jié)距，軟件在計(jì)算時(shí)則考慮了絞線后的參數(shù)變化與相互影響。

圖3 定義絞線尺寸

基于ANSYS Maxwell的“線纜線束設(shè)計(jì)工具包”創(chuàng)建的幾何模型可以直接傳遞到ANSYS 的準(zhǔn)靜態(tài)邊界元Q3D中求解，當(dāng)然用戶也能直接將第三方布線/繪圖工具得到的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)幾何模型導(dǎo)入Q3D，通過電磁計(jì)算能夠直接得到結(jié)構(gòu)的場(chǎng)分布，包括電壓分布，電流分布，電場(chǎng)和磁場(chǎng)等，以及結(jié)構(gòu)的寄生參數(shù)矩陣如電容、電阻和電感矩陣，導(dǎo)納和阻抗值及特性阻抗、差分阻抗等RLCG參數(shù)，還可以進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

參數(shù)仿真分析

Maxwell有6大求解器，可以分別求解靜磁場(chǎng)、渦流場(chǎng)、瞬態(tài)磁場(chǎng)，靜電場(chǎng)、直流傳導(dǎo)場(chǎng)和瞬態(tài)電場(chǎng)，能精確計(jì)算模型的電阻、電容、電感等RLCG寄生參數(shù)和S參數(shù)。更可以直觀地查看線纜線束截面上的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布云圖，精確讀取任意坐標(biāo)位置下的場(chǎng)數(shù)據(jù)。

圖4 查看線纜線束截面上的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布云圖

圖5展示了使用Maxwell瞬態(tài)求解器仿真在雷擊瞬間大電流涌入下電纜磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化過程，動(dòng)態(tài)地再現(xiàn)能量的衰減現(xiàn)象。此強(qiáng)有力的仿真案例：外加激勵(lì)電壓源或者電流源為任意雷擊波形(或者使用Maxwell自帶的circuit editor外電路編輯器工具)，同時(shí)考慮鎧裝材料的非線性，考慮電渦流和磁擴(kuò)散等。

圖5 瞬態(tài)雷擊電流下電纜的磁場(chǎng)分布

系統(tǒng)仿真

ANSYS Twin Builder是功能強(qiáng)大的多域機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析軟件，用于電氣、電磁、電力電子、控制等機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)、仿真分析和優(yōu)化。其提供了多種建模語言，包括電路、方框圖、狀態(tài)機(jī)、方程、VHDL-AMS、SML以及C/C++等標(biāo)準(zhǔn)建模語言。這些語言可混合使用，輕松建立模擬、數(shù)字和混合信號(hào)的多域設(shè)計(jì)模型。

電路系統(tǒng)中，用于連接設(shè)備與負(fù)載的線纜線束，在仿真中不能用理想的電氣連接線替代，需要高精度建模體現(xiàn)RLCG寄生參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。Twin Builder能夠直接和業(yè)界領(lǐng)先的ANSYS電磁場(chǎng)仿真工具動(dòng)態(tài)鏈接，包括：Maxwell，Q3DExtractor等。這種協(xié)同仿真技術(shù)和模型降階技術(shù)讓Twin Builder具有強(qiáng)大的基于物理原型的系統(tǒng)仿真能力。

圖6、7展示的案例中，負(fù)載為大功率變頻電機(jī)，電網(wǎng)提供的電能每相由6條并行電纜傳輸，鋪設(shè)于金屬線槽中，按照工廠電氣安規(guī)要求，金屬線槽外殼與大地良好連接。當(dāng)由6條并行線纜組成的三相線任意排布時(shí)，在金屬線槽接地線上感應(yīng)的最大電流值可達(dá)負(fù)載額定電流值的4.8%，絕對(duì)值高達(dá)42A。利用Maxwell和Twin Builder場(chǎng)路耦合仿真，優(yōu)化線纜換位排布后，可以顯著減小零序電流值。優(yōu)化后的比例為額定值的1.1%，電流絕對(duì)值明顯減小，大大改善機(jī)電系統(tǒng)性能。

圖6 電機(jī)電纜線槽安全接地點(diǎn)零序電流分析和優(yōu)化

圖7 并行排布線纜中電流波形和線間磁鏈分布

圖8 電機(jī)逆變器中間連接電纜建模后耦合仿真

圖8展示了考慮電機(jī)逆變器連接電纜上寄生參數(shù)對(duì)系統(tǒng)電磁兼容的影響和分析：“線纜線束設(shè)計(jì)工具包”參數(shù)化建模并求解得到分布參數(shù)，Maxwell輸出ROM(包含全部參數(shù)的降階模型)模型到Twin Builder系統(tǒng)平臺(tái)中，輸入輸出端子連接逆變器和負(fù)載電機(jī)之間的電路。仿真結(jié)果表明，線纜分布參數(shù)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾EMC影響明顯。

總結(jié)

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