Ansys Maxwell 2023 R1 업그레이드

서론

Ansys Maxwell은 모터, 엑추에이터, 변압기, 센서 등 전기기기 및 전기장비 설계 및 분석을 담당하는 엔지니어를 위한 전자기장 시뮬레이션 소프트웨어다. 이번 호는 Ansys Maxwell 2023 R1 업그레이드 내용에 대해 자세히 알아보겠다.

1. Core Technology

1-1. Parallel Branch in Solid Windings 

[그림 1] Parallel Number 설정에 따른 3상 전류 파형

1-2. Improve Force Calculation on Conductors (PCB Applications)

두 번째 핵심 기술은 [그림 2]에 나타낸 것과 같이 PCB Application에 활용될 수 있는 Conductor에 Force 계산에 대한 개선 기능이다. Parameter Force에 대한 Lorentz Force 계산 옵션이 추가되었습니다. 기존 Virtual Work Force 외에 Object-Base Force 계산이 가능하며, 하나의 Force Parameter에서 Multiple Bodies를 지원한다. Virtual-Work Force와 동일한 Transient Data의 출력이 가능하며, 마침내 Transient Data Plot이 가능해져 진동을 모니터링할 주요 주파수 확인이 가능하고, 선택한 여러 Object에 대한 정확한 Force 계산이 가능하다. [그림 3]은 Input Current에 대한 Force Parameter 파형을 나타냈다.

[그림 2] PCB applications

[그림 3] Input Current에 대한 Force Parameter 파형

1-3. Support Thin Layer for 3D DC Conduction Solution

세 번째 핵심 기술은 3D DC 전도 해석을 위한 Thin Layer 기능을 지원한다. Element Based Thin Layer Model을 지원하며, 각 표면 사이에 정의된 전위차를 나타낸다. [그림 4]와 같이 매우 얇은 두께의 도체일 경우 sheet로 처리하여 도체 저항에 대한 변수 값을 입력하여 [그림 5]와 같이 급격한 전위차를 만들어 낼 수 있다 .

[그림 4] Thin Layer 설정 방법

[그림 5] Thin Layer 기능 적용 전/후의 전압 파형

또한 [그림 6]과 같이 Thin Layer 모델의 2-Way Thermal Coupling 기능을 지원하며, AEDT와 WB에서 사용이 가능하다. [그림 7]은 Thin Layer 모델의 Ohmic Loss에 대하여 Volume Loss와 Surface Loss를 나타냈다.

[그림 6] 2-Way Thermal Coupling을 위한 Thin Layer 모델

[그림 7] Thin Layer 모델의 Ohmic Loss 분포

1-4. Support Winding for Maxwell Magnetostatic Solution

네 번째 핵심 기술은 Magnetostatic 해석에서 Winding 기능을 지원한다. 기존에 Eddy Current Solver와 Transient Solver에서만 지원하던 Winding 기능이 Magnetostatic Solver에서도 지원한다. Source Type으로는 전류와 전압을 설정할 수 있으며, Winding Type으로는 Solid와 Stranded을 설정할 수 있다. [그림 8]은 Magnetostatic Solver에서 Winding 기능을 사용하는 방법을 나타내었다. 이를 통해 Input Current/Voltage, Inductance, Flux Linkage, Winding의 Solid Loss나 Stranded Loss의 결과도 확인이 가능해졌다. [그림 9]는 Winding 기능을 통한 Eddy Solver와 Magnetostatic Solver의 전류밀도 분포에 대한 비교 결과를 나타냈다.

[그림 8] Magnetostatic Solver에서 Winding 설정 방법 

[그림 9] Winding 설정에 따른 전류밀도(J) 비교 결과 

2. Electric Machine Enhancements

Ansys Maxwell 2023 R1에서 향상된 Electric Machine에 대한 내용을 소개하겠다.  

2-1. Electric Machines Toolkit

가장 먼저 Electric Machines Toolkit에 대한 내용이다.  Induction Machine에 대한 ROM 기반의 효율성 Map을 제공한다. 따라서 Maxwell Transient Design의 Parametric Analysis를 사용하여 Performance Map을 생성하는 기존 접근 방식보다 빨라졌다. 또한, [그림 10]과 같이 ROM Table을 선택하거나 생성에 대한 옵션 제공한다. 사용자가 Mechanical Loss vs Speed에 대한 Table을 입력할 수 있으며, 각 Machine Type에 대한 Original Three Variable의 Sweep Table과 Machine Performance를 출력할 수 있다. 또한, [그림 11]과 같이 Torque vs Gamma에 대해 Report도 가능하다.

[그림 10] ROM Table을 선택/생성에 대한 옵션

[그림 11] PM Machine의 Torque vs Gamma Curve

2-2. UDP Development for ANSYS Motor-CAD

다음은 Ansys Motor-CAD용 UDP 개발 내용이다. 향상된 UDP에 대한 내용으로는 다음과 같다. Corner Fillet과 V-Shape Bottom Slot을 지원하는 SRMCore UDP, Surface PM Core의 삽입을 지원하는 PMCore UDP, Tooth Coil을 지원하는 LapCoil이 있으며, 새롭게 지원하는 UDP는 U-Type IPM Core를 지원하는 UPMCore UDP, V-Type IPM Core를 지원하는 VPMCore UDP, Vent Duct가 있는 Core를 지원하는 VentCore UDP가 있다.또한 모든 UDP Parameter는 Motor-CAD Parameter를 기반으로 하여 Parameter를 전송할 필요가 없어졌으며, 임의의 수의 PM Duct Layer와 IPM Type과 Vent Core의 모든 조합이 가능하고 유효하지 않은 입력을 방지하기 위해 Parameter 값이 검증되거나 조정되게 된다. [그림 12]는 UDP를 통해 모델링 된 Machine 형상들을 나타냈다. 

[그림 12] UDP를 통한 Machine 모델링

2-3. Improvements and Consolidation of Force Calculation in 3D Transient

다음은 향상된 3D transient Solver에서 Surface Force Density 결과에 대한 내용이다. Surface Force Density에 대하여 Hybrid Algorithm(Virtual Work + Surface Force Density)을 통해 [그림 13]과 같이 결과를 개선했다. 해석 결과에 대하여 검증하는 방법은 다음과 같다. Surface Force Density와 Volumetric Force Density를 합한 값이 Parameter Force와 동일한지 확인하며,  Surface Force와 Volumetric Force에서 계산된 Torque는 Moving Torque와 동일한지 확인한다. 

[그림 13] Hybrid Algorithm을 통한 개선된 Surface Force Density 결과 

맺음말

이번 호에서는 Ansys 2023 R1이 제공하는 Ansys Maxwell에 추가된 업그레이드 내용을 다루어 보았다. 이번 업그레이드에서는 Parallel Branch와 Thin Layer 같은 새로운 기능이 추가되었으며, Electric Machine에 대한 향상된 기능들이 추가되었다. Ansys Maxwell 2023 R1에서의 이러한 주요 기능들을 이용하여 각 분야 현업에 계신 Ansys 사용자분들에게 도움이 되기를 기대해본다.