ANSYS在线缆线束设计中的仿真应用

ANSYS采用ANSYS Maxwell、Q3D、Twin Builder等电磁仿真软件，从线缆线束设计、寄生参数RLCG提取、到系统电磁兼容提供了全面仿真分析。

创建模型

ANSYS在Maxwell软件基础上提出针对用户定制化的“线缆线束设计工具包”，帮助客户参数化建立特定几何模型，通过算法技术处理，使用二维几何计算模型，反应真实三维线缆线束实体结构，能动态、高效建立模型并求解，大大提高工作效率。

图1 典型功率电缆剖面视图

图1展示了典型功率电缆几何定义，功率电缆规格多，主题有功率线芯、护套、铠装、冷却管道等。

ANSYS提供的基于Maxwell软件的参数化输入“线缆线束设计工具包”，功率电缆参数化定义界面如图2所示，分别输入功率线、护套、铠装、冷却管等尺寸参数和材料，即可以自动生成如图1所示之几何模型，修改模型参数十分方便，自动实时更新几何尺寸。

图2 线缆设计工具主界面

为了提高电缆线芯利用率，消除电流趋肤效应等影响，工程上需要对线芯换位处理，即绞线。“线缆线束设计工具包”充分考虑了各种换位绞线策略，通过设计工具定义，能直观地用二维模型精确地处理三维结构，图3展示了设计工具包的计算策略，通过Lp和rt分别定义绞线半径和节距，软件在计算时则考虑了绞线后的参数变化与相互影响。

图3 定义绞线尺寸

基于ANSYS Maxwell的“线缆线束设计工具包”创建的几何模型可以直接传递到ANSYS 的准静态边界元Q3D中求解，当然用户也能直接将第三方布线/绘图工具得到的复杂三维结构几何模型导入Q3D，通过电磁计算能够直接得到结构的场分布，包括电压分布，电流分布，电场和磁场等，以及结构的寄生参数矩阵如电容、电阻和电感矩阵，导纳和阻抗值及特性阻抗、差分阻抗等RLCG参数，还可以进行设计和优化。

参数仿真分析

Maxwell有6大求解器，可以分别求解静磁场、涡流场、瞬态磁场，静电场、直流传导场和瞬态电场，能精确计算模型的电阻、电容、电感等RLCG寄生参数和S参数。更可以直观地查看线缆线束截面上的电场、磁场分布云图，精确读取任意坐标位置下的场数据。

图4 查看线缆线束截面上的电场、磁场分布云图

图5展示了使用Maxwell瞬态求解器仿真在雷击瞬间大电流涌入下电缆磁场动态变化过程，动态地再现能量的衰减现象。此强有力的仿真案例：外加激励电压源或者电流源为任意雷击波形（或者使用Maxwell自带的circuit editor外电路编辑器工具），同时考虑铠装材料的非线性，考虑电涡流和磁扩散等。

图5 瞬态雷击电流下电缆的磁场分布

系统仿真

ANSYS Twin Builder是功能强大的多域机电系统设计与仿真分析软件，用于电气、电磁、电力电子、控制等机电一体化系统的建模、设计、仿真分析和优化。其提供了多种建模语言，包括电路、方框图、状态机、方程、VHDL-AMS、SML以及C/C++等标准建模语言。这些语言可混合使用，轻松建立模拟、数字和混合信号的多域设计模型。

电路系统中，用于连接设备与负载的线缆线束，在仿真中不能用理想的电气连接线替代，需要高精度建模体现RLCG寄生参数对系统性能的影响。Twin Builder能够直接和业界领先的ANSYS电磁场仿真工具动态链接，包括：Maxwell，Q3DExtractor等。这种协同仿真技术和模型降阶技术让Twin Builder具有强大的基于物理原型的系统仿真能力。

图6、7展示的案例中，负载为大功率变频电机，电网提供的电能每相由6条并行电缆传输，铺设于金属线槽中，按照工厂电气安规要求，金属线槽外壳与大地良好连接。当由6条并行线缆组成的三相线任意排布时，在金属线槽接地线上感应的最大电流值可达负载额定电流值的4.8%，绝对值高达42A。利用Maxwell和Twin Builder场路耦合仿真，优化线缆换位排布后，可以显著减小零序电流值。优化后的比例为额定值的1.1%，电流绝对值明显减小，大大改善机电系统性能。

图6 电机电缆线槽安全接地点零序电流分析和优化

图7 并行排布线缆中电流波形和线间磁链分布

图8 电机逆变器中间连接电缆建模后耦合仿真

图8展示了考虑电机逆变器连接电缆上寄生参数对系统电磁兼容的影响和分析：“线缆线束设计工具包”参数化建模并求解得到分布参数，Maxwell输出ROM（包含全部参数的降阶模型）模型到Twin Builder系统平台中，输入输出端子连接逆变器和负载电机之间的电路。仿真结果表明，线缆分布参数对电机控制系统传导干扰EMC影响明显。

ANSYS Icepak在新能源汽车9个应用场景的仿真分析

在当前常见的各类工业产品中，器件的工作温度是影响其可靠性指标的一个重要因数。器件的工作温度与其可靠性之间存在一种可预测的关系，因此，为保证产品工作在允许温度的范围内，设计人员都要千方百计地提高散热效率、改善换热环境。

另外，随着超大规模集成电路的发展和组装密度的提高，使得单位体积容纳的热量越来越多，并且还要满足电磁兼容地要求；处于降噪条件下的产品要求必须拆除风扇，特别是对工作在恶劣环境中的产品要求其必须是全封闭的，这样使得产品的散热环境进一步恶化，因此设备的热仿真热设计在整个产品的设计中占有越来越重要的地位。

如今产品的设计已进入了面向并行工程CAD／CAE／CAM的时代，设计及评估人员都面临着掌握热仿真技术的极大挑战。

对引起设备失效的各类原因进行统计（资料来源：美国空军航空整体研究项目，US Air ForceAvionics Integrity Program），从中可以看出温度是影响元器件可靠性的主要因素。

另外，设备的运行实践表明：随温度的增加，元器件的失效率呈指数增长，这在不同程度上降低了设备的可靠性，如下图所示。

在产品开发过程中，引入ANSYS Icepak热流仿真技术能够加快产品开发周期、降低开发成本。在设备热分析中，通过模型建立、模型求解和结果后处理三方面能够分析单个元件、多芯片模块、散热器、PCB 板直至整个系统，因此，设计人员在系统设计阶段就可以进行设备的系统性综合分析和元件级的详细分析，以期解决如下问题：

1、对系统强制对流和自然对流冷却等几种方案进行综合比较；

2、优化系统内关键器件的位置；

3、设计风扇、通风口的位置尺寸；

4、确定单板与单板之间和系统内各个部件之间的空间大小；

5、优化散热器的形状和尺寸以最大限度地发挥其散热效率；

6、提高散热孔和散热片地热传递效率。

7、改善产品性能和可靠性；

8、加快产品上市时间；

9、减少设计反复次数；

10、快速获取研究参数，优化设计方案。

ANSYS Icepak19.2具有良好的CAD、EDA接口；具备非结构化、Mesher-HD多级网格等多种网格类型；具备非连续性网格、单体局部加密、定区域加密等多种网格处理方式；使用ANSYS Fluent求解器进行计算，具有优秀的后处理显示功能，可以输出图片、动画、表格、XYplot图等等；

因此当下的Icepak被广泛应用于航空航天、机车牵引、电力电子、光电子、医疗器械、电气、汽车电子、各类消费性电子产品等等；具体产品包括：通讯机柜、手机终端、笔记本电脑、LED、变频器、变流器、汽车电池包、电源机箱、IC封装、数据中心、光伏逆变器等;换热器、冷板、电子控制机箱、车载显示器等等各类工业品。

当下，在国家各类政策扶持下，各主车厂持续不断地对新能源电动汽车进行研发，在中国新能源电动汽车取得了长足的发展与进步，那么在新能源汽车的研发过程中，热仿真、热分析技术也处于极其重要的位置。主要设计的热仿真包括（不局限于）：

1、汽车车灯的热流计算