Opera 低频电磁分析——解决方案篇

在上一期的分享中，我们深入探讨了Opera低频电磁分析—应用篇，揭示了其在多个领域中的广泛应用与重要价值。

本周，我们将继续这一系列的探讨，进入Opera低频电磁分析—解决方案篇。

在这一篇章中，我们将更加专注于Opera在低频电磁分析方面的具体解决方案，以及这些方案如何有效应对实际工程中的复杂问题。

Opera低频电磁分析

Opera是一套全球知名的专业电磁分析软件，采用有限元素法（FEM/FEA）来求解各类电磁问题。

可分为Opera -2D和Opera-3D。

Opera包含完整的前后处理程序，以及精确的分析模组。

使得Opera 可以应用至各式不同的电磁问题分析当中，例如：马达、变压器、磁铁设计或低密度电浆模拟等。

此外Opera本身亦拥有完善的多物理场模拟。

因此Opera除了提供完善的电磁模拟环境之外亦提供在单一介面下完善的多物理场模拟能力。

PART 02

   解决方案

基于Opera在电磁分析方面超过30年的研究和经验，我们有以下解决方案。

1

静态

2

动态电磁

3

运动

4

失超

5

机械

6

带电粒子

静态

“静态模组”广泛用于科学和工程应用领域，可用于计算静磁和静电场。

它使用FEA方法，对离散模型中静态情况下的Maxwell方程式进行解算。

对于3D静磁，“静态模组”中使用的演算法会自动处理包含磁源的模型中的包络体，其方式与没有源的包络体不同。

利用这种功能强大的方法，该模组可以成功地避免使用其他解算方法时可能导致的取消错误。

因此，该解算方法的准确性通常远远高于“有限元分析”的预期结果。

在此模组中，使用者可以将磁性材料属性指定为线性、非线性、各向同性、各向 异性、层压或永磁。

在3D模式下，使用者可以使用Opera的专有方法来模拟精确度极高的线圈/螺线管，该方法会利用Biot-Savart 积分来计算线圈的磁场。

Opera-3D包括一个库，可帮助轻松定义螺线管和环形磁场等标准形状，还使用户能够灵活创建任何拓扑的线圈。

通过使用“有损耗介质”选项，使用者可以类比由于低电导率电介质通电所产生的电场。

动态电磁

动态电磁模组可用于计算电磁设备和系统中的时变电磁场和涡流。

这包括由简单移动导体引起的涡流，简单移动是指不会改变几何形状的移动（例如横截面恒定的转盘或无限管道）。

有三种不同类型的动态解决方案可用，每种都具有不同的时变形式：

“谐波”可计算稳态交流电流，其中所有场和电势均以相同频率振荡。

“瞬态”可计算由于驱动电流的场、边界条件以及按预定方式随时间变更的外部场所导致的瞬态涡流。

“固定速度”可计算由于不改变模型几何形状的运动而导致的涡流。源场和驱动条件始终不变。

运动

电磁运动模组可在具有旋转或线性运动（在解算期间导致重新网格化）的设备中计算时变场和涡流。

允许按照使用者控制的速度或在分析过程中计算的速度，独立移动几何结构的组成部分，进而独立移动有限元网格。

这是一种瞬态分析，通过移动磁场的影响和模型源的时变在导电介质中感应出涡流。

此模组经过设计，可对各种电气设备进行动态建模，例如，含有永久磁体(PM)、感应、开关磁阻、同步和同步磁阻的设备。

它可用于研究整流效应、瞬态回应以及稳态性能和非平衡局部效应。

此外还可以计算所有材料中的涡流损耗，包括永久磁体。

计算中可以包含正常和故障条件下的电力驱动以及动态机械负载。

在每个时间步中，模组都会计算移动零件（旋转或平移）上的电磁力，再应用递增运动，随后重新计算电磁场。

失超

可以使用此模组来分析超导磁体的失超。Opera失超模组可利用超导磁体在失超期间的温升，包括磁体随着失超在磁体内的传播而过渡为阻性元件。

触发失超事件的热量有多种来源。在直流系统中，通常是由于低温系统发生故障、系统过渡过快或在测试情况下有意引入。

我们可以将此热量作为表面或包络体属性包含到模拟中，或者通过材料中存在的与速率相关的电阻或磁滞损耗（因电流流动或材料中存在磁场而产生的损耗）包含到模拟中。

在此情况下，材料的特性存在显著的各向异性，因为热导性会沿绕组方向占据主导地位，需要特定的建模技术来提高效率和准确度。

失超模组使用了高级FEA技术对磁体在失超期间的高度非线性瞬态行为进行建模。

通过使用一种将电磁解决方案与热量和电路解决方案（用于确定线圈中的电流）相结合的演算法，可以对完全失超过程进行分析。

机械

“热分析”模组可计算由于电磁加热或外部热源导致的稳态或瞬态温度、热通量和热梯度场。

热属性（如电导率张量或比热）以及热源密度可指定为位置函数，并且可以具有温度依赖性（从而可执行非线性分析）。

热分析模组可在独立模式下使用（使用者可定义热输入的分布），也可与其他提供热分布的Opera解算模组一起用于多物理场模拟。

可在单项计算中包含多个热源（例如电动机中的涡流加热和铁损耗）。

热分析模组会计算模型中的温度分布，这可能会改变电磁解算（如果材料属性与温度有关）。

热膨胀导致的应力可使用“应力分析”模组进行分析。造成的变形可用于后续的热模拟和电磁模拟。

应力解算器可在2D或3D中解算线性静态应力。结果包括变形、应变和应力。

在3D中，应力解算器还可用于计算结构的自然模式，即本征值和本征向量。

带电粒子

带电粒子模组可以计算静电和静磁场中带电粒子的相互作用。

它使用有限元方法对离散模型中稳态情况的Maxwell方程式进行解算，并且提供了自洽场解决方案，包括空间电荷、自磁场和相对运动的影响。

提供了一套完整的发射器模型，包括表面的热电子和场效应发射、表面和包络体内的二次发射（用于气体电离建模）以及非磁化和磁化等离子体模型。

可以包括多种带电粒子，每个都具有用户定义的电荷和品质。

“带电粒子”模组可用于多物理场分析，例如粒子束产生的热量。