2025大赛优秀作品 | 有直流偏磁PWM波电压励磁磁心损耗的有限元仿真

“Ansys 2025 全球仿真大会”仿真应用大赛优秀作品展示

本届仿真应用大赛最终评选出 30 篇 TOP 优秀作品，分别荣获一、二、三等奖及行业最佳实践奖。近 200 位来自汽车、半导体、高科技、能源等行业的仿真精英参赛，他们以前沿思维与创新实践，充分展现了仿真技术的无限潜能。从本期起，我们将陆续为大家分享获奖佳作，带您一同领略仿真赋能创新的非凡力量，希望用户能从中汲取灵感、启迪思路。

作品名称：有直流偏磁PWM波电压励磁磁心损耗的有限元仿真

作者：福州大学电气工程与自动化学院 | 秦家正/汪晶慧/江盛凌

关键词：磁心损耗、有限元仿真、有直流偏磁的PWM波电压

作者说

Ansys Maxwell 有限元仿真软件利用有限元分析求解已知边界条件的泊松方程或者麦克斯韦方程获得磁性元件的磁矢位分布，进而得到磁通密度分布，其可精确地获得磁心内磁通密度分布。然而，其内部自带的磁心损耗密度模型不足以支持现有功率变换器中磁性元件磁心损耗仿真计算。但是，结合有限元仿真软件Maxwell 和PyAnsys 二次开发接口，给有直流偏磁PWM波电压励磁磁心损耗的精确仿真提供有力支持。并且有望实现更复杂的高低频复合波励磁磁心损耗的精确仿真计算。

功率变换器中磁性元件的励磁波形

有直流偏磁高频脉宽调制波（Pulse Width Modulation, PWM）电压励磁的磁心损耗精确计算是业内难点。本文基于磁性材料磁化特性和磁心损耗的准确测量和模型建立，利用有限元仿真软件Ansys Maxwell 提出精确获得磁心交流磁通密度和直流磁通密度分布的方法，进一步提出能精确计算有直流偏磁高频PWM 波励磁磁心损耗的仿真方案。利用提出的仿真方案分析计算标准磁环和EE 形磁心的磁心损耗，将仿真结果与实验测量结果比较验证精度。该方案为同材质不同形状的异型磁心磁心损耗的精确计算提供理论依据。

挑战/需求

功率变换器中磁性元件的磁心形状

磁性元件的体积、损耗和重量在功率变换器中占比非常大。磁性元件磁心损耗精确量化是磁性元件优化设计和热设计的必备条件。磁性元件的励磁波形是有/无直流偏置PWM 波电压，磁心形状复杂多样，磁心材料种类繁多。磁性元件磁心损耗的精确量化非常困难。

使用工具

Ansys Maxwell

最终成果

磁性元件的磁心损耗仿真结果

基于磁性材料标准磁环磁特性的精确测量，利用Maxwell 有限元仿真软件提出直流磁通密度和交流磁通密度的仿真计算方法，实现磁性元件的交流磁通密度和直流磁通密度的有效解耦，最终提出有直流偏磁PWM 波励磁磁心损耗的有限元计算方案。最后，利用提出的磁心损耗有限元仿真计算方案，预测同材质不同形状磁性元件的磁心损耗，并利用直流功率法验证计算精度。

参赛作品一览

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