Busbar Current Distribution Simulation

電流分佈需要精確的電磁場模型分析，讓設計者可以掌握電流的流向做設計調整。在模擬上使用Maxwell更能精確分析場電流的分佈。

Maxwell A-Phi Solver Introduction

承接上節的模擬，再進行 Maxwell 分析前，筆者先對大家可能不是那麼熟悉的 A-Phi Solver 做說明。相比傳統的 T-Omega Transient Solver 來說，A-Phi Solver 能處理多端口的分析並加入考慮了位移電流的馬克斯威爾方程式，能考量電容的效應，但目前還只能一階求解，建議使用時要比以前的收斂條件網格再增加一倍的網格數量。另一個要點是 A-Phi Solver 不支援運動分析，所以馬達是不適合用此求解器作分析，還是建議用傳統的 T-Omega Transient Solver 來做設計。

且新的求解器還有一個最大的好處：就是在 2023R1 版本開始支援非封閉激發的方式，特別適合本篇的Power Busbar 模擬。如果要使用這個功能，請先在 Windows 系統環境變數中新增 CoulombGauge 並指定其變量為 1；並在 Maxwell 中勾選 Perform minimal validations。由此你就可以在 A-Phi Transient Solver 中不受封閉迴路限制的設定激勵源。

圖2-6

Maxwell A-Phi Solver Setting

在這個案例，筆者利用 AEDT 模型的共用性，將模型由 Q3D 複製到 Maxwell 前處理介面中，用電流源來做個激勵源的輸入。在 A-Phi Solver 中，支援非封閉激發的設定，可以想像成類似 Q3D 的方式設定激勵源的方式，為所有的端口做了設定。在此求解器中，Current Excitation 支援三種模態分別是 Single Potential、Double Potential、Double Potential with Ground，在本篇模擬，所有的激勵端口皆使用Single Potential 來做非封閉迴路的激發源型態。

圖2-7

A-Phi Solver中，Current Excitation支援三種模態：

• Single Potential -> 只有一個標量電勢 DOF 被分配給表面並且是未知的。一般而言，設定激發的面需要貼到邊界上，但做了前面的設定能不受限制。

• Double Potential -> 在Terminal面上，定義了兩個電標量勢自由度，並且自由度未知。 端子處存在電位差。 電流將是單向的，如果輸入的電流值為正數，它將按使用者指定的方向流動。 用於封閉路徑的激發使用。

• Double Potential with Ground -> 在Terminal面上，定義了兩個標量電勢自由度。 用戶指定方向相反一側的電位設置為0。電流將是單向的，如果輸入的電流值為正數，則電流將按指定方向流動。 用於封閉路徑的激發使用。

另外要注意的是，在 Ansys Maxwell 進行電磁模擬時，激勵源的設定中有Eddy Effect（渦電流效應）和Displacement Current（位移電流）的選擇(如圖 2-8)，是否勾選取決於你的模擬目標與模型物理特性。

圖2-8

以下是詳細說明： 何時勾選 Eddy Effect（渦電流效應）：

• 當你需要計算導體內因交變磁場而產生的渦電流損耗時，應勾選 Eddy Effect。這通常適用於金屬零件、磁鐵、實心線圈等會因電磁場變化而產生感應電流的固體部件。

• 在永磁機、變壓器、感應加熱等應用中，若需分析磁鐵損耗或線圈損耗（如髮夾式繞組），都應啟用渦電流效應。

• 只有具備電導率（conductivity）的物件才可啟用渦電流效應，背景區域通常不需設定。

何時勾選 Displacement Current（位移電流）：

• 當你的模擬涉及介質（如絕緣體、真空）且需要考慮電磁波的傳播時，應勾選 Displacement Current。這在高頻電磁場、天線、微波、射頻等模擬中尤為重要。

• 金屬一般不需要勾選 Displacement Current（位移電流）選項。位移電流的設定主要是針對介質材料（如絕緣體、空氣、真空），目的是模擬電磁波在這些區域的傳播行為。

• Region也建議不要勾選 Displacement Current。如果遇到不合理的損耗，建議先不勾選 Displacement Current。

• 如果您需要考慮電容效應或完整的麥克斯韋方程組（例如在高頻或包含非導體區域時），則應勾選「位移電流」選項。這會使求解器在整個域內考慮位移電流，但同時會增加未知數，導致內存和計算時間增加。啟用位移電流後，系統會考慮介質中的電場變化對磁場的影響，並允許電磁波在模型中傳播。[ 在非Aphi求解器，此時通常需搭配輻射邊界條件（Radiation Boundary Condition）一同設置。]

• 在 Maxwell 3D 的 A-Phi 求解器中，位移電流效應是針對整個域（domain）設定，而非單獨物件。啟用後會增加未知數，導致計算資源需求提升。

• 若問題主要集中在低頻電磁感應或不需要考慮電容效應時，可以不勾選此選項，以提升計算效率。建議根據模擬的物理需求選擇是否啟用該選項，並注意計算資源的消耗。

Simplorer + Q3D -> Push Excitation

Busbar 的端口非常的多且電流複雜，手動的設定不僅耗時且容易出錯。ANSYS 軟件的優勢在於平行耦合與傳遞資料，這裡我利用 Simplorer 的 Push Excitation 功能，把 Simplorer + Q3D 模擬的電路電流直接推送至 Maxwell A-Phi Solver。

圖2-9

電流推送至 Maxwell 後，稍作設定就能直接進行模擬，省去設定多端口電流的最複雜流程。建議使用者熟悉善用 Push Excitation 的功能，尤其是對多端口激發源的案例特別有效。

圖2-10

利用 Maxwell 暫態分析，我們就能用肉眼在電腦螢幕上看到在金屬上的電流流向與分佈，不再需要憑空想像或盲目猜測。圖2-11所展示的是某個時間區間 2ms 的電流流動分佈。

圖2-11

傳送到下一步 Icepak 前，讀者要特別注意，Maxwell 和 Icepak 的雙向耦合會是利用 Maxwell 模擬的場損耗做時間的平均後傳遞給 Icepak 做溫升模擬。所以要注意 Maxwell 要做場的資訊儲存設定。

Maxwell A-Phi Solver TDM Function

另外要特別提出來介紹的是，在 2023R2 版本中，Maxwell 已經支援 A-Phi Solver 的 HPC 功能，能將時間軸做 TDM 的切分，由 Master 切分多個Slave區段，同時間讓多核心對不同時間軸做運算，最後再回歸Master 做整合加總。HPC 是一個充分運用多核心電腦的模擬加速工具，尤其在求解大型問題時是不可或缺的。圖2-12是 Ansys A-Phi 求解器 TDM 的 ANSYS 官方更新說明頁面，給讀者參考。

圖2-12

以此案例來說，使用 HPC Feature 能將模擬時間由 6 天縮短至 4.15 個小時，是非常有感的提升模擬速度。

圖2-13

AEDT HPC的詳細說明，請參考 Ansys HPC Introduction。