Infolytica 专业电磁分析设计软件
自
1978年以来，居世界领先位置的低频设备电磁设计软件
在电机领域市场占有率超过60％ MagNet 电机电磁场分析解决方案 ThermNet 电机温度场分析解决方案
OptiNet 电机优化设计解决方案
海 基 科 技 2007 年 10 月
目录
1. 软件基本介绍 (3)
1.1I NFOLYTICA公司简介 (3)
1.2M AG N ET软件介绍 (3)
1.2.1 真实的视窗界面 (4)
1.2.2 方便的几何和材料建模 (4)
1.2.3 网格剖分与网格的自适应 (6)
1.2.4 边界条件设定 (6)
1.2.5 求解器 (7)
1.2.6 功能完备的后处理 (7)
1.2.7 强大的参数化功能和脚本语言 (8)
1.2.8 MagNet软件与CAD工具的接口 (9)
1.3T HERM N ET软件介绍 (10)
1.3.1特定温度材料属性 (10)
1.3.2 边界条件 (11)
1.3.3 发热元素 (11)
1.3.4 网格参数 (11)
1.3.5 适应性 (11)
1.3.6 求解器 (12)
1.4O PTI N ET软件介绍 (12)
1.4.1 设计概念 (12)
1.4.2 OptiNet 的功能 (13)
1.4.3 OptiNet 的启用 (13)
2. MAGNET软件的优点 (14)
3. INFOLYTICA软件在电机中的应用 (15)
3.1 案例一、感应电机 (15)
3.2 案例二、国际基准问题 TEAM Problem 30A (17)
3.3 案例三、国际基准问题 TEAM Problem 30B (18)
3.4 案例四、永磁电机的铁心损耗和效率 (19)
3.5 案例五、永磁电机优化 (20)
3.6 案例六、直流无刷电机 (22)
3.7 案例七、直线电机 (23)
3.8 案例八、盘式感应电动机 (25)
3.9 案例九、超导电机端部磁场 (27)
3.10 案例十、自起动永磁同步电动机 (28)
3.11 案例十一、同步发电机短路仿真 (29)
3.12 案例十二、直流无刷电机温度场 (30)
4. INFOLYTICA软件对操作系统及硬件配置要求 (31)
5. 部分客户列表 (32)
6.海基公司简介 (32)
1. 软件基本介绍
1.1 Infolytica公司简介
Infolytica 公司于1978年成立，是世界上第一个致力于为设计工程师提供商业电磁仿真分析软件开发商。创始人有：
P. Silvester 博士，有限元在电磁场领域应用的奠基人。
E. Freeman 博士，FREng, FIEE ，Infolytica 公司副总裁，英国帝国理工学院终生教授。
D. Lowther 博士，FCAE, M.IEE, M.IEEE，Infolytica 公司总裁，McGill大学电气工程系系主任，
国际电磁计算协会(COMPUMAG)常任理事及副总裁。
J. Webb博士，在1986年加入到创始人行列，Infolytica 公司副总裁，McGill大学教授。
自1978年, Infolytica的软件主要产品MagNet，ElecNet, ThermNet, OptiNet, FullWave已经演变成工程师进行电磁或热分析不可缺少的和强大的设计工具。软件采用真正视窗界面和快速图形反馈技术，同时也提供了全面的2维与3维的建模系统。电磁分析软件MagNet可以和热分析软件ThermNet进行耦合求解。OptiNet是一个高质量，高可靠性的优化软件，允许设计者在设计和开发成本上获得更高的效率。
Infolytica 软件产品系列广泛应用于宇航，能源，电厂，汽车，消费电子，电气设备，医疗，仪表，通讯和微波设备制造业等等行业中的高性能机电产品的设计。Infolytica的软件产品使得设计者显著的减少设备原型的设计时间，并减少和设计原型有关的成本。
Infolytica 共有1000多家客户，在电机领域市场占有率超过60％。
Infolytica的主要客户包含GE, NTT, HP, ABB, Hamilton Sundstrand, Toshiba, Sony, Panasonic, Inductotherm, Northrop Grumman, GM, Samsung, Harman Motive, Seagate Technology, TECO- Westinghouse, NASA, MIT, MCGILL, 等众多国际知名的公司、大学以及研究机构。
1.2 MagNet软件介绍
MagNet是Infolytica公司开发的2D和3D低频电磁仿真分析工程软件。MagNet采用有限元法，这个方法经过Infolytica软件研发人员的不断完善和增强，可以精确和快速地对2D和3D电磁模型进行建模和计算，并通过完善的后处理，方便的提供给设计者所需要的数据和图表。由Infolytica首创的边界元（Edge Element）和分层元（Hierarchical Element）分析方法，与MagNet6的脚本和参数化功能完美整合在一起。 MagNet强大的参数化功能和脚本语言，使MagNet成为工程师对设计模型建模和优化的最佳工具。MagNet允许工程师改变2D和3D的几何形状，材料，和激励，这样可以减少由于设计参数的变化带来的试验，大大减少了产品的研发周期，降低研发成本。
MagNet6全新的基于Microsoft Window 界面给工程师一个熟悉和易于使用的平台。MagNet帮助工程师极大程度地简化繁琐的设备设计过程，是电磁设备工程师必备的设计工具。
而且，设计工程师还可以得到由Infolytica公司出色的软件团队的无限支持，该团队自1978年以来，积累了丰富的设计和使用经验。所以，Infolytica公司为您提供的不仅仅是一套软件，而且还包括了多年的专业经验。
1.2.1 真实的视窗界面
MagNet是第一个采用真正windows界面的电磁场分析软件，初级用户可以快速了解软件功能和使用软件。
用户可以在MagNet的图形界面里实现：建造设备的几何模型，或导入由其他软件建造的模型；定义部件的材料；定义激励，例如线圈；剖分网格；通过参数化功能，求解一些列问题；定义边界条件和求解模型；求解结果的可视化功能；通过脚本语言的实现满足用户需求的自动化任务等。
1.2.2 方便的几何和材料建模
MagNet的三维几何建模功能帮助电磁设计工程师将每一个部件逐个地建立，最终组成所需要的电磁设备模型；或将一个三维实体经过修改雕琢而构成电磁设备模型。不管使用哪个方法，MagNet的建模器都可以生成精确的计算所需的各种几何模型。
通过下面的方法可以获得所需要的电磁设备计算模型：
1.对部件单元进行布尔运算
2.部件单元的顺序，可以自动决定部件的相关关系
3.可以设置部件的可见性
4.部件单元的失效。（无须删除不需要的部件，此单元不进行网格刨分）
5.优化的三维有限元网格。精确的建模，和预测网格中的场量。
设备材料所使用的电磁属性采用标准的并且可扩展的描述结构。用户可以使用材料编辑的引导对话框，方便地编辑和输入用户自己的材料属性。MagNet软件提供三类材料库，其材料数量不受限制，这三类材料库包括：
1.设备模型材料库列出所有所建模型中使用的材料。
2.低频系统材料库。
3.用户自定义材料库。
MagNet软件的电路模板允许用户建立各种电路。电路中的元件可包括包括：电阻，电容，电感，换向器，开关，位置控制开关，二极管，电压和电流源，等等。
1.2.3 网格剖分与网格的自适应
MagNet利用有限元方法精确地对２Ｄ和３Ｄ模型进行建模和预测结果。Infolytica Corp. 率先开发出来的自适应网格剖分器，使得用户无需考虑复杂的剖分问题就可以得到满意的计算精度。
用户也可以使用软件提供的剖分工具，来对自己所感兴趣的区域进一步完善网格。包括：网格细分，最大网格尺寸等。
MagNet中包含了P单元和H单元自适应，这种自适应是在解算时基于解算中间结果的自适应。
1.2.4 边界条件设定
在MagNet中采用两类边界条件：一元边界条件和二元边界条件。
一元边界条件设定模型给定面的场特征，包括：
Flux Tangential：切向通量
Flux Normal：法向通量
Surface Impedance：表面阻抗，用于考虑实心导体肌肤效应时采用，以节约计算资源。
Thin Plate：薄板单元：主要在屏蔽问题时采用，薄壁内无需网格剖分，从而节约计算资源。
二元边界条件定义两个面之间的关系，奇周期(Odd Periodic) 或偶周期( Even Periodic)。
Flux Tangential 和Field Normal边界条件可以用来定义模型对称面，减少求解区域。Even, Odd 周期可用来对周期性结构进行有效的建模。
1.2.5 求解器
MagNet提供四种类型的求解器
静态磁场求解器
静态磁场的2D/3D求解器用来计算给定电流分布状态下，采用线性和非线性材料模型周围或内部的静态磁场问题。
谐振求解器
2D/3D的时间谐振求解器解决的是各向同性材料中，载流体内部及周围的时间谐振磁场。时间谐振分析是在指定频率下实现的。在直流下也可分析。
瞬态求解器
2D/3D暂态求解器解决的是在指定电流分布情况下，导电或导磁或既导电又导磁材料（各向同性或各向异性）内部及周围的周期变化的磁场。
瞬态运动求解器
当2D/3D模型包括运动部件时，采用瞬态运动求解器：
考虑由于运动效应所感应的涡流时；
考虑一些机械元件的影响时，如负载、摩擦、惯性、弹簧重力等。
瞬态运动求解器可以定义多个运动部件，每个运动部件都可以任意运动。
1.2.6 功能完备的后处理
MagNet提供详细和精确的仿真结果，使设计人员可以全面的了解所设计模型的性能。
MagNet仿真计算可以提供的总体量结果包括：
Linkage Energy Flux
Force Torque
Stored Energy Power loss
V oltage Current
MagNet计算出的场量结果包括：
Current Density (J)
(Vector, tangential, normal) Energy Density
Magnetic Flux Density B (Vector, tangential, normal) Magnetic Field Intensity H (Vector, tangential, normal)
Ohmic Loss Iron Loss
Relative Reluctivity Lorentz Force density JxB (Vector, tangential, normal)
用户可以通过等势线图、云图、矢量箭头图来形象的观察物体表面，或物体的内部剖面上的上
述场量结果。有些仿真需要多次步进求解或不同状态求解，例如：时变和步进问题、参数化求解问
题运动问题等，对于每一步的求解，MagNet可以得到完整的结果。
1.2.7 强大的参数化功能和脚本语言
使用MagNet的参数化功能，用户马上可以体会到将设备原型参数化而带来整个项目效率大大的提高．参数化功能主要的优势在于：
1.参数化建模可以用于优化设计。
2.参数化实现＂What-if＂分析：一旦一个参数被赋予不同的值，软件将会自动对这个参数的每
一个值重新运行计算。
3.在同一模型中，可以设立多个求解问题。
4.用户可以使用参数化来改变模型的形状，材料等，而无需另建一个模型。
利用脚本语言的帮助，用户可以根据自己的需求扩展MagNet软件的功能：
1.使重复的任务自动化：快速建立和修改模型；改变模型参数；自动探测仿真结果和制图。
2.用户自定义化：按用户设定来仿真；增加用户定义的事件处理；批处理功能。
3.交互能力：连接到EXCEL文件处理制图和计算；传递仿真结果到其他仿真软件；和WORD
连接，自动生成报告。
1.2.8 MagNet软件与CAD工具的接口
MagNet可以导入或导出多种2D/3D模型，包括：
AutoCAD files (*.dxf)
SAT files created with ACIS 11.0 or below (*.sat)
CATIA V4 files (*.model)
CATIA V5 files (*.model)
IGES files (*.igs, *.iges)
Inventor files (*.idw, *.ipt, *.iam)
Pro/E files (*.asm, *.prt )
STEP files (*.stp, *.step)
下图是以stp格式导入的模型实例。
1.3ThermNet软件介绍
本软件用来解决有关热学问题，包括传导、对流和辐射。其用户界面和本公司其他产品（磁场分析、电场分析和高频电磁场分析软件）相类似，都遵循同样的建模规范。同时也通过使用先进的脚本设计能力，实现程序的完全可编程。
允许用户描述一个2D和3D问题，并进行瞬态和稳态分析。它也能解决弱耦合问题即电磁场和热场的相互作用问题。这种情形的发生是由于在磁场中涡流和磁滞损耗产生的热量导致了温升（由热场solver程序可计算）。而温度的变化也改变了物质的性能（由磁场solver程序确定），由此，耦合是双向的：电磁损耗提供了热场分析的热源，而温度的上升也影响着物质的性能（电阻率和渗透性）。
MagNet的电磁场问题解决能力是被设计为热场分析工具的配对工具，ThermNet和MagNet被充分地集成在一起使用。同样的设备文件既能被存在磁分析程序中也可以被在热分析程序中。因此创建一个兼容的数据库存将会使与ThermNet一起使用MagNet变的更为容易。从一个用户的观点来看，无论何时指派电磁场的属性，或是观察电磁场的数量， MagNet软件都可以运行。相反，当属性是热场特征或被观察量与热场相关时，运行ThermNet软件。
ThermNet可以被用来设计的领域从家用电器到感应加热，工业捍接处理和依赖于磁分析的温度分析。在所有的这些应用中，由于涡流电流和铁心损失所产生的热影响必需被考虑进去。
1.3.1特定温度材料属性
z一个多种用途的材料库准许用户去定义依赖于温度的材料属性。所有的材料属性都与温度属性有关。
z每个属性都可以使用一个单值和一列依赖于温度的值描述。
z由于一种物质的电和磁的属性可能随着温度的不同而不同，新材料模型准许用户在不同的温度值定义每个属性，即一种材料能有几个这样的属性存在材料库中。
z当处理耦合问题时，无论什么时候做电磁分析，系统总是在当前操作温度中寻找材料属性。
z当做电磁分析时，如果没有在数据库找到特定温度的属性，系统将会从数据库中的有效值中选一条插入作为特定属性的值。
z如果操作温度超出了属性被定义的范围，将会使用极限温度定义的属性。
z对于全局问题引入一个全局参数存储温度值，对每个部件也有一个参数可以设置温度值。因此，用户不用作热分析也能作一些温度影响的分析。
z用户能够为每个随后将被用于计算铁耗和能被用于热源的材料指定铁耗曲线。
1.3.2 边界条件
下列的边界条件是有效的：
z完美绝缘
z指定温度
z环境条件(环境温度，对流热传导系数，辐射热传导系数)
z二元边界条件可以定义表面之间的传热系数
z偶对称边界条件允许部分建模和仿真
1.3.3 发热元素
在独立的热场分析情况下(比如：无耦合解中)，热场问题通常是被边界条件所驱动，比如指定的温度。然而，存在这样的情况：在一种物质中由于某种未知的现象而引起能量消失，基本上这就是一种热源。由于这处原因，用户可以指定在每个元素中所消耗的功率值，如果是耦合问题，除了能量损耗以外，将使用存储在元件中的热源。
1.3.4 网格参数
在MagNet和ThermNet都使用的设备中，电磁的网格需求是完全不同于只使用ThermNet的。用户可以指定同一个边缘的不同剖分数，或着对同一个组件指定一个不同的最大元素边界。
1.3.5 适应性
有限元素网格是自动生成的，为了更好的控制也可以手动生成。我们提供算法来监控H-adaption，它能把元素分为更小的元素单位，直到获得希望的精确性.
对于耦合问题，在ThermNet中的网格适应性是独立于磁分析分析器。因为两个网格需求是不一样的。由于相关全局数量能量的改变，能设定收敛差。
1.3.6 求解器
稳态2D和3D求解器
热分析的稳态分析用来发现由于传导、对流、辐射所导致的温度分布。一旦一个问题已经达到稳定状态，为了考虑电阻和铁耗的影响，热稳态分析可能会联系到稳态或与时间一致的电磁分析解。
瞬态2D和3D求解器
热分析的瞬态分析发现由于传导、对流、辐射而随时间变化的热场。
为了考虑电阻和铁耗随时间的影响，热瞬态分析可能会联系到稳态或时间一致的电磁分析解。
电磁和热耦合求解器:
除了提供独立的热分析，ThermNet也有能力为关联的热磁问题提供耦合解。
由于能量的损失依赖于物质的属性，而这些物质的属性被温度所影响。ThermNet中耦合热电磁分析中有一个双向链接。这个链接保证在一个部件的每一点上，能量损失和温度在每一步迭代解的过程中能够被更新。
1.4OptiNet软件介绍
功能强大且完备的电磁设备优化软件。唯一可使用连续和离散变量对设备的电磁或热特性进行优化的高端设计工具。
1.4.1 设计概念
设计就是根据一组给定条件来达到一个能够满足这些条件的方案。
根据设定的变量和约束条件，OptiNet 自动在求解空间内探索最优解。
1.4.2 OptiNet 的功能
z优化算法不但可以处理连续取值变量，也可以进行离散值优化。
z优化算法采用效率非常高的进化策略（Evolutionary Strategy)，处理变量非常多的模型也高效可靠。
z敏感度分析用来评估设计变量的全局变化量。
z用户可以选择预先定义和可定制的目标函数和变量限制条件。
z优化过程实时显示页面，可用图表的方式来监视变量，目标函数值，和变量限制条件值的变化。
z可以选择察看所有的方案，或只察看优化的方案。
z可以适用Infolytica的MagNet, ElecNet, ThermNet, 和MagNet-ThermNet耦合求解。
z模型的构建可以在MagNet, ElecNet或ThermNet中完成；用户可以定义一些参数作为OptiNet 的设计变量。
1.4.3 OptiNet 的启用
运行OptiNet后，将根据初始模型的文件类型，自动启动所需要的有限元分析软件，MagNet, ElecNet 或者ThermNet。OptiNet由不同的页组成，用户在这些页面上可以定义优化条件及观察优化的过程和结果。
2. MagNet软件的优点
Infolytica的软件作为专业而且历史悠久的电、磁、热仿真软件，无论从操作上或是求解精度或是技术支持上，别的软件都是无法比拟的，其优点主要可以总结为以下几点：
9真实和友好的视窗界面，使用户容易迅速了解软件功能。
9模型的所有参数和求解结果等存储在一个压缩的文件内，减少存储空间，便于统一管理。
9非常方便的几何建模能力，可以快速处理各种复杂几何形状。
9与其他三维设计软件的接口能力，包括：AutoCAD， SAT，CATIA，IGES，Pro/E，TEP，Inventor，etc.
9所建立的模型，在MagNet，ThermNet，ElecNet任一软件中建立的模型可以直接在另外两个软件内使用，无须重复建模。
9可编辑和自定义的材料属性。
9隐含网格剖分，和自适应网格。
9方便的定义边界条件。
9可以定义与模型连接的电路。
9领先于其他软件厂商同类产品的高效稳定的求解器。
9求解器可以分析2D/3D模型的：静磁场，时间谐振场，瞬态场，有运动部件模型的瞬态场。
9运动求解器支持多个运动部件的任意运动。
9提供详细和精确的仿真结果，使设计人员可以全面的了解所设计模型的性能。
9求解量的自动化的图表处理。
9Infolytica的磁场分析软件Magnet 可以和热场分析软件ThermNet进行耦合求解。
9强大的参数化功能，可将模型几何，材料，激励，网格属性等量参数化，进行多个工况的求解。
9完备的脚本语言,可以容易的对软件进行二次开发。
9基于ActiveX，可以和其他基于同样技术的软件接口，如MatLab, Excel，等。
9多个实用的插件可以免费下载供用户使用，并且在不断扩充。
9大量的在线应用实例，提供各种类型的应用实例，包括多个TEAM 的基准算例。
9强大及时的技术支持和售后服务。
3. Infolytica软件在电机中的应用
Infolytica软件作为专业的电磁场仿真软件，在全球电机的设计、研发领域市场占有率超过60%，可以广泛应用于各类电机，包括静止电机（变压器）、旋转电机和直线电机。
采用MagNet软件，用户可以自动得到电机内部包括气隙中的磁场分布，任意点的磁场强度和磁通密度，直接计算电机的各种损耗，包括欧姆损耗、铁芯损耗等，电机的各种能量、通量，各种力矩，各种系数包括磁阻系数、电抗等，各种曲线包括速度、转矩等。同时，在MagNet中，将计算结果作为动画显示也非常方便。这样为用户进行电机设计、新产品的研发提供了强有力的工具。
采用ThremNet和MagNet耦合仿真，可以得到电机的稳态和瞬态温度场分布情况。
采用OptiNet，可以等到以重量、效率等为优化目标的最优方案。
3.1 案例一、感应电机
对感应电机的模拟是MagNet非常擅长的，图3.1.1所示的感应电机是一种典型的三相电机，MagNet 建模功能的增强，使以前模拟起来非常困难的一些现象变得简单。为了减小谐波和转矩的波动，感应电机中经常会采用转子铸铝斜槽。在MagNet中，这些斜槽建立起来很方便，并且对斜槽所产生的影响也能够精确模拟。图3.1.2所演示的是转子铁心和铸铝块的布尔操作，同时铁心优先占有空间，即铸铝块只填充未被铁心占有的空间，这符合电机的实际情况。
同时，在图3.1.1所示的模型中，定子绕组非常复杂，这在MagNet中，采用全新的Multi-segment sweep 功能，这一功能具有强大的自动混合计算能力，使得复杂线圈的建模变得非常轻松，线圈的精确模拟使得电机端部效应的研究变得可能。由于电机几何的对称性及周期性边界条件的采用，实际模拟只需采用整个模型的1/6即可。
+
=
图3.1.3是所求解模型的网格，整个模型的网格数为740,000，节点数为130,000。
图3.1.4是磁通密度的云图和矢量图，图中可以看出斜槽对于电机内部场的影响。
3.2 案例二、国际基准问题 TEAM Problem 30A
TEAM问题30A 是国际电磁测试分析方法（Testing Electromagnetic Analysis Method， TEAM）指导委员会批准的国际基准问题之一。TEAM系列问题是公认的检验电磁有限元分析软件正确性的基准算例。
2D 模型
TEAM 30A 描述三相感应电动机在不同速度下的转矩、电压、涡流损耗情况。
speed (rad/s)
Torque
(N/m)
Voltage/turn
(V/m/turn)
Rotor Loss
(W/m)
Steel Loss
(W/m) (1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) (2)
0 3.825857 3.80306 0.6371570.68172 1455.6441429.250217.40541 17.3006
200 6.505013 6.44374 0.8453680.85106 1179.5411152.026116.98615 16.8267
400 -3.89264 -3.82596 1.477981 1.49854 120.0092117.5423 1.383889 1.35832
600 -5.75939 -5.71198 0.76176 0.75270 1314.6131287.16317.87566 17.7155
800 -3.59076 -3.56583 0.6178910.61142 1548.24 1523.61716.88702 16.7647
1000 -2.70051 -2.68399 0.5756990.57403 1710.6861690.77814.32059 14.2219
1200 -2.24996 -2.23865 0.5561960.55890 1878.9261865.14812.01166 11.9325
上表中，（1）列数据为TEAM30A 提供的分析值，（2）列数据为MagNet 2D 仿真值。二者数据非
常吻合。这说明MagNet仿真的可靠性和准确性。
MagNet还分析了电机的起动过程。转矩曲线和转速曲线如下图。
3.3 案例三、国际基准问题 TEAM Problem 30B
TEAM 30B 描述单相感应电动机基准问题。
下图是此问题在MagNet中的半个模型。
下图是机械特性（T－S ）仿真值与分析值的比较曲线，可以看出，两条曲线非常吻合。
T-s 曲线
3.4 案例四、永磁电机的铁心损耗和效率
传统的铁损计算方法是根据磁密B的最大值来查找磁化曲线。对于永磁电机，磁铁周围的磁密值虽然很高，但基本保持不变，这时这种铁损计算方法是不正确的。Infolytica公司为此开发了特别的铁心损耗计算方法，能够准确计算永磁电机的铁心损耗，这也是正确计算电机温度场的基础。
下图是转子内插永磁电机的磁密云图和损耗密度图。可以看出损耗集中在与定子磁场相互作用的转子表面。
应用磁密矢量的最大值和最小值的差值的大小，来确保磁密变化剧烈的区域铁心损耗大。
下图是应用OptiNet优化转矩波动，同时保持效率在80％以上。
3.5 案例五、永磁电机优化
应用MagNet和OptiNet，可以方便的优化电机的转矩脉动，效率，成本等。
本例是对转子内插永磁电机进行优化。
优化目标：转矩脉动最小
优化变量：永磁体的尺寸和定子磁场超前角
约束条件： 1800RPM转矩不小于0.475Nm；
4000RPM转矩不小于0.350Nm；
1800RPM和4000RPM时，EMF小于外加电压；
1800RPM和4000RPM时，效率不小于80％（损耗包含欧姆损耗，铁心损耗和涡流损耗）。