Ansys 电磁仿真培训课程体系

培训对象

• 从事电机、变压器、传感器等电磁设备设计的电气/机械工程师

• 从事射频、微波、天线设计的高频电路工程师

• 电力电子、无线通信、汽车电子等行业的CAE仿真人员

• 高校电气工程、电子科学与技术、通信工程等专业的教师和学生

培训目标

通过系统的课程学习，使学员掌握有限元电磁场分析的基本理论，熟练使用Ansys Maxwell（低频电磁场）和Ansys HFSS（高频电磁场）进行各类电磁问题的仿真分析。学员将能够独立完成从几何建模、材料定义、边界条件设置、网格剖分到结果后处理的完整仿真流程，掌握静磁场/涡流场/瞬态场分析、射频/微波器件设计、天线仿真等核心功能，具备解决实际工程电磁问题的综合能力。

课程体系概览

 

课程一：Ansys Maxwell 电磁场仿真基础与进阶

培训对象

• 电机、变压器、电器、传感器等行业的电磁设计工程师

• 需要掌握低频电磁场仿真技术的研发人员

培训目标

通过本课程的学习，使学员系统掌握Ansys Maxwell软件的操作技能和电磁场分析理论。学员将能够独立完成2D/3D静磁场、涡流场、瞬态场的建模与仿真，理解边界条件、激励源、网格剖分、求解设置的工程含义，掌握电磁力、转矩、电感、损耗等关键参数的提取方法，具备解决典型电磁问题的能力。

培训内容

1. Ansys Maxwell 软件概述与操作界面：介绍Maxwell在Ansys电磁产品家族中的定位，学习软件界面布局、工程管理、2D/3D求解器类型选择（静磁场、涡流场、瞬态场、静电场）。通过一个简单案例（如螺线管电磁铁）演示完整仿真流程，建立电磁场仿真的系统认知。

2. 几何建模与模型处理技术：学习使用Maxwell内置建模工具进行几何创建，掌握草图绘制、3D特征创建（拉伸、旋转、扫描）、布尔操作、参数化建模方法。学习从外部CAD软件导入几何模型（SAT、STEP、IGES格式）及模型修复技巧，确保几何模型适合网格划分。

3. 材料定义与工程数据管理：学习材料属性的定义方法，包括线性/非线性磁性材料（B-H曲线）、永磁材料（剩磁、矫顽力、退磁曲线）、导电材料（电导率）、绝缘材料。掌握材料库的创建与管理，实现材料参数的复用与共享。

4. 边界条件与激励源设置：讲解Maxwell中边界条件的类型及物理意义：自然边界、气球边界、对称边界、主从边界等。学习激励源的施加方法：电流/电压激励、绕组匝数设置、外电路耦合、永磁体充磁方向设置。

5. 网格剖分策略与质量控制：系统讲解电磁场仿真的网格剖分技术。学习自适应网格剖分的原理，掌握手动网格控制方法（内部长度限制、表面逼近、网格细化区域）。针对薄层结构、气隙区域、集肤效应等特殊情况，掌握专门的网格处理技巧。

6. 求解器设置与参数化分析：学习不同求解器的参数设置：静磁场求解器（Matrix、Force/Torque）、涡流场求解器（集肤效应、阻抗边界）、瞬态场求解器（运动设置、时间步长控制）。掌握参数化分析设置方法，研究几何尺寸、材料属性、激励条件对性能的影响。

7. 结果后处理与数据提取：系统学习Maxwell后处理技术：场图云图（磁感应强度B、磁场强度H、电流密度J）、矢量图、等值线、路径图、动画生成。掌握使用场计算器（Field Calculator）进行自定义物理量的提取与计算。学习矩阵参数（电感、电容、磁链）、力/转矩、损耗等全局量的提取方法。

8. 静磁场分析专题：深入讲解静磁场分析在永磁体、电磁铁、变压器等设备中的应用。学习永磁体工作点分析、电磁力计算、电感矩阵提取、磁场屏蔽分析。通过案例（如电磁铁吸力计算）演示静磁场分析的全流程。

9. 涡流场与集肤效应分析：讲解涡流场分析的基本原理，学习集肤效应、邻近效应的仿真方法。掌握阻抗边界条件设置、涡流损耗计算、透入深度分析。通过案例（如变压器屏蔽层涡流损耗）演示涡流场仿真。

10. 瞬态场与运动分析：系统学习瞬态场求解器的应用，包括运动设置（Band定义）、旋转/直线运动、机械瞬态耦合。掌握绕组电流、反电动势、电磁转矩的瞬态波形提取方法。通过案例（如永磁同步电机启动过程）演示瞬态场分析流程。

11. 损耗分析与效率计算：讲解铁芯损耗（磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗）的计算原理与方法。掌握铁损曲线输入、损耗分离技术。学习铜损、涡流损耗、永磁体涡流损耗的计算方法，实现电机/变压器效率的精确评估。

12. 参数化优化与设计探索：介绍Maxwell的参数化优化功能，学习使用Optimetrics模块进行灵敏度分析、参数扫描、优化设计。掌握响应曲面构建、目标驱动优化的基本流程，实现电磁性能的自动寻优。

课程二：电机电磁场仿真设计专题（RMxprt + Maxwell）

培训对象

• 从事各类电机（永磁同步、异步、直流无刷等）设计的研发工程师

• 需要掌握电机从快速设计到精确仿真的全流程技术人员

培训目标

通过本课程的学习，使学员系统掌握基于RMxprt的电机快速设计与性能预测方法，以及基于Maxwell 2D/3D的电机瞬态场精确仿真技术。学员将能够独立完成典型电机的磁路设计、参数优化、瞬态性能分析，掌握齿槽转矩、反电动势、负载特性、弱磁性能、退磁分析等核心性能的评估方法。

培训内容

1. 电机设计理论基础与RMxprt概述：回顾电机设计的基本理论，包括磁路计算、绕组设计、槽型选择、性能指标。介绍RMxprt在电机设计流程中的定位，学习RMxprt支持的电机类型及适用场景。

2. RMxprt建模与参数化设计：学习使用RMxprt进行各类电机的快速建模，包括定转子冲片选择、绕组排列、槽型尺寸输入、材料定义。掌握参数化建模方法，研究关键尺寸对性能的影响。

3. RMxprt性能分析与结果解读：学习RMxprt的性能计算功能，包括空载特性、负载特性、效率Map图、启动性能。掌握输出结果的分析方法，理解各性能参数与设计变量的关系。

4. 一键生成Maxwell 2D/3D模型：学习从RMxprt一键生成Maxwell 2D/3D瞬态场模型的方法，包括最小周期模型、全模型的选择原则。掌握模型导入后的几何检查与修复技巧。

5. Maxwell 2D瞬态场模型设置：学习Maxwell 2D瞬态场模型的详细设置，包括运动区域（Band）定义、边界条件、激励源设置（电压源/电流源/外电路）、网格剖分技巧。

6. 齿槽转矩精确仿真：讲解齿槽转矩的产生机理与影响因素，学习齿槽转矩的高精度仿真方法。掌握网格细化、时间步长设置、斜槽/斜极的等效处理方法，准确提取齿槽转矩波形。

7. 空载反电动势与电感参数：学习空载反电动势的仿真方法，掌握反电动势波形、谐波分析、线反电动势的计算。讲解电感参数（Ld、Lq）的提取方法，理解电感随电流角度变化的关系。

8. 负载特性与转矩分析：学习负载工况下的电机性能仿真，包括额定负载、过载工况的转矩输出、电流波形、功率因数分析。掌握电磁转矩、平均转矩、转矩脉动的计算方法。

9. 弱磁性能与效率Map图：讲解弱磁控制的基本原理，学习弱磁性能的仿真方法（电流超前角扫描）。掌握基于多工况扫描的效率Map图生成技术，评估电机全工况范围内的效率分布。

10. 损耗分析与热耦合基础：学习电机各类损耗（铁损、铜损、永磁体涡流损、机械损耗）的仿真计算方法。掌握损耗数据向热分析软件（Ansys Icepak/Mechanical）传递的方法，为热分析奠定基础。

11. 永磁体退磁分析：讲解永磁体退磁机理（高温退磁、反向磁场退磁），学习退磁工况的仿真设置方法。掌握永磁体工作点监测、局部退磁区域的识别与评估。

12. 实际电机案例拆解与优化：选取典型电机案例（如Prius电机、工业伺服电机），完整演练从RMxprt设计、Maxwell 2D瞬态场仿真到性能优化的全流程。针对仿真发现的问题（如转矩脉动大、效率偏低），提出改进方案并仿真验证。

课程三：Ansys HFSS 高频电磁场仿真基础与进阶

培训对象

• 从事射频/微波器件、天线、高速电路设计的工程师

• 通信、雷达、电子对抗等领域的电磁仿真人员

培训目标

通过本课程的学习，使学员掌握高频电磁场仿真分析的基本理论，熟练使用Ansys HFSS进行射频/微波器件、天线、信号完整性等问题的仿真分析。学员将能够独立完成从几何建模、边界条件设置、激励端口定义、求解设置到结果后处理的完整流程，掌握S参数、场图、辐射方向图等关键结果的提取与分析方法。

培训内容

1. HFSS软件概述与高频电磁场理论：介绍HFSS的发展历程、产品定位及核心优势。回顾高频电磁场基本理论：麦克斯韦方程组、波动方程、边界条件、S参数定义。通过简单波导传输案例演示HFSS完整仿真流程。

2. 几何建模与模型处理：学习使用HFSS 3D建模器进行几何创建，掌握参数化建模方法。学习从MCAD和ECAD工具导入几何模型，掌握模型修复与简化技巧。介绍HFSS 3D Layout用于PCB/封装结构建模的优势。

3. 材料定义与层叠设置：学习高频材料属性的定义方法，包括介电常数、损耗角正切、磁导率、电导率。掌握频率相关材料特性的设置，学习多层介质层叠结构的建模技巧。

4. 边界条件与激励端口：系统讲解HFSS边界条件的类型与设置：理想导体边界、有限导体边界、辐射边界、完美匹配层（PML）。学习激励端口的定义：波端口、集总端口、Floquet端口，掌握端口校准与去嵌入技术。

5. 求解器选择与求解设置：介绍HFSS各求解器的特点与适用场景：模式驱动求解器、终端驱动求解器、本征模求解器、瞬态求解器。学习求解频率、收敛准则、最大迭代次数的设置原则。

6. 网格剖分与自适应网格：讲解HFSS的自适应网格剖分技术，学习网格细化策略与收敛过程监控。掌握手动网格控制方法（曲面近似、内部长度限制、网格细化区域），确保关键区域的网格精度。

7. S参数分析与结果后处理：学习S参数矩阵的提取与分析，掌握Smith圆图、极化图、驻波比等结果的查看方法。学习数据报告、标记添加、导出等后处理技巧。

8. 场图后处理与场计算器：系统学习电磁场结果的可视化：电场/磁场分布、表面电流、功率流密度、矢量图、动画生成。掌握场计算器的使用方法，实现自定义物理量的提取与计算。

9. 天线仿真与辐射方向图：讲解天线仿真的关键设置：辐射边界条件、远场辐射球定义。学习天线参数分析：回波损耗、增益、方向性系数、辐射效率、极化特性。掌握三维/二维辐射方向图的生成与分析。

10. 参数化扫描与优化设计：学习使用HFSS的参数化分析功能，研究几何尺寸对性能的影响。掌握Optimetrics优化模块的使用，进行单目标/多目标优化，实现天线/微波器件的自动寻优。

11. 信号完整性/电源完整性分析：介绍HFSS在SI/PI领域的应用，学习差分线/单端线的S参数提取、时域反射（TDR）分析、眼图仿真、谐振模式分析。掌握去耦电容放置、电源平面阻抗的优化方法。

12. 多物理场耦合与协同仿真：讲解HFSS与Ansys其他物理场的耦合方法：电磁-热耦合（计算焦耳热导致的温升）、电磁-结构耦合（计算电磁力导致的变形/应力）。学习基于Workbench平台的多物理场协同仿真流程。

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