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如果你正在使用 ANSYS Maxwell 进行平面变压器的损耗仿真，特别是想准确计算高频下的铜损和铁损，那么很可能已经遇到了一个经典难题：如何在瞬态场（Transient）中，既施加真实的时域激励波形（如PWM波），又能准确分离并提取出绕组的涡流损耗和磁芯的铁损？

传统的做法往往让人陷入两难：使用“场计算器”手动编写公式极其繁琐且容易出错；而简单地查看软件报告的“Ohmic Loss”又包含了直流损耗，无法反映高频涡流效应。这直接导致仿真结果与实测偏差巨大，设计优化失去依据。

本文将彻底解决这个问题。我们将深入探讨一种在 Maxwell 瞬态场仿真中施加激励并计算损耗的“新”方法。这里说的“新”，并非指软件发布了新功能，而是指一种被许多官方教程忽略，但在工程实践中极其高效、准确的流程与设置组合。它核心解决了两个问题：

1. 如何正确施加激励：特别是对于多绕组、有相位差的平面变压器，如何用外部电路（External Circuit）或函数准确描述开关动作。
2. 如何准确提取损耗：如何设置才能让软件自动报告出我们真正关心的“涡流损耗（Core Loss）”和“铁损（Solid Loss）”，而不是一个笼统的总损耗。

接下来，我将以一款典型的 LLC 谐振变换器中的平面变压器为例，手把手带你完成从模型建立、激励设置、求解配置到结果后处理的完整仿真流程。你将获得可直接复用的操作步骤、关键截图和最佳实践建议，从而将你的平面变压器损耗仿真精度提升一个等级。

1. 为什么平面变压器的损耗仿真如此棘手？

在深入操作之前，我们必须理解问题的根源。平面变压器因其低剖面、高功率密度、优良的热性能和可重复性，广泛应用于高频开关电源（如服务器电源、通信电源、车载充电机）。其工作频率通常在几百kHz到几MHz。

在这个频段下，损耗主要由两部分构成：

• 磁芯损耗（Core Loss）：由磁芯材料在高频交变磁场下的磁滞、涡流和剩余效应引起。它与磁通密度变化率（dB/dt）、频率、磁芯材料特性密切相关。
• 绕组损耗（Winding Loss）：包含直流电阻损耗（DCR）和由高频趋肤效应、邻近效应引起的涡流损耗。对于平面变压器，其绕组是印刷电路板（PCB）上的铜箔或多层铜层，邻近效应往往占主导，损耗分布极其不均匀。

在 Maxwell 中，稳态频域求解器（如 Eddy Current）虽然可以方便地计算某一特定频率下的损耗，但它无法模拟真实的、非正弦的时域开关波形（如方波、PWM波）对磁芯的磁化过程，也无法分析瞬态启动、负载突变等动态过程。因此，瞬态场（Transient）求解器是分析此类问题的必选项。

然而，Maxwell 瞬态场默认的损耗报告机制是针对“场”的，而不是直接针对“部件”的。如果不进行特殊设置，你只能得到整个模型的总体欧姆损耗，无法区分是铜的涡流损耗还是磁芯的涡流损耗，更无法直接得到符合 Steinmetz 或改进型 Steinmetz 公式计算的磁芯铁损。这就是我们需要寻找“新”激励给定方式和后处理方法的根本原因。

2. 核心概念澄清：Maxwell 中的损耗类型与设置

开始操作前，明确几个关键概念，避免后续配置混淆：

• 激励（Excitations）：指施加在模型上的电压源、电流源或外部电路。它驱动整个仿真。对于变压器，通常在一次侧施加电压源或电流源，二次侧可连接负载。
• 材料属性（Material Properties）：决定部件损耗计算的关键。必须正确设置：
  • 导电材料（如铜）：需要定义其电导率（Conductivity）。在瞬态场中，如果勾选了“Set Eddy Effect”（设置涡流效应），软件在计算磁场的同时，会求解由变化磁场在该导体中感应出的涡流场，从而计算出涡流损耗。
  • 磁芯材料（如铁氧体）：需要定义其 B-H 曲线（或相对磁导率）以及核心损耗属性（Core Loss）。在材料属性中，你需要输入磁芯损耗系数（Kh, Kc, Ke）或导入损耗曲线，软件才能在瞬态求解后，根据计算出的时域磁通密度波形，计算出磁芯损耗。
• 求解器设置（Solution Setup）：这里需要勾选关键选项，以启用损耗计算。
• 场计算器（Fields Calculator）与后处理（Results）：这是提取和查看特定部件损耗数据的主要工具。

传统方法 vs 本文方法对比

3. 仿真环境准备与模型建立

3.1 软件版本与模块

• ANSYS Electronics Desktop (AEDT) 2023 R2 或更高版本。本文操作基于此版本，界面在早期版本中可能略有不同，但核心功能一致。
• 确保已安装并授权Maxwell 3D或Maxwell 2D模块。对于平面变压器（通常结构在XY平面内延伸，Z方向很薄），使用Maxwell 2D进行仿真可以极大减少计算量，且精度对于工程设计通常足够。本文以Maxwell 2D为例。

3.2 创建平面变压器几何模型

1. 新建项目：启动 AEDT，新建一个 Maxwell 2D 设计项目。
2. 设置求解器类型：在项目树中，右键点击Maxwell2DDesign1，选择Solution Type->Transient（瞬态）。
3. 建模：使用绘图工具（Draw）创建模型。一个典型的平面变压器模型包括：
   • 磁芯（Core）：绘制“U”型、“E”型或平面磁芯的截面。通常用矩形（Rectangle）或组合图形表示。
   • 绕组（Winding）：绘制代表 PCB 铜箔的矩形区域。重要：一次侧（Primary）和二次侧（Secondary）绕组需要是独立的物体（Object），以便分别分配激励和材料。
   • 空气区域（Air Region）：绘制一个足够大的区域包围所有模型，作为求解域。右键点击该区域，选择Assign Region->Region。
4. 模型检查：确保所有图形闭合，没有重叠或缝隙（除非是故意设置的绝缘间隙）。

3.3 分配材料属性

这是准确计算损耗的第一步，也是最重要的一步。

1. 为磁芯分配材料：
   • 在材料库（Materials）中找到你的磁芯材料（如Ferrite_Material），或自定义一个。
   • 双击材料进入属性窗口。
   • 在Core Loss选项卡下，选择损耗模型（如Electrical Steel模型需输入 Kh, Kc, Ke；Power Ferrite模型可能需输入不同参数或导入.dat文件）。务必根据数据手册填写准确参数。
   • 将该材料拖拽到模型中的磁芯物体上。
2. 为绕组分配材料：
   • 将材料库中的copper拖拽到所有绕组物体上。
   • 关键操作：选中一个绕组物体，在属性窗口（Properties）中，找到Model选项卡，将Model Type从默认的Lamination（叠片，不计算涡流）改为Solid（实体）。只有这样，后续勾选“Set Eddy Effect”才会生效。
3. 为空气区域分配材料：分配vacuum或air。

4. 核心流程拆解：激励、边界条件与求解设置

4.1 施加激励——新的给定方式

传统方法是在绕组截面上直接画一个“截面（Section）”并赋电压值。对于平面变压器，更推荐以下两种方式：

方式一：使用外部电路（External Circuit）—— 最灵活此方法可以模拟真实的驱动芯片、MOSFET、二极管和负载电路。

1. 在项目树中，右键点击Maxwell2DDesign1，选择Create External Circuit。
2. 在弹出的 Schematic 窗口中，从元件库放置电压源（如VPULSE用于产生方波）、电阻、电感、电容等，搭建你的原边驱动和副边整流滤波电路。
3. 将电路中需要与 Maxwell 2D 模型连接的节点，通过Port元件引出。
4. 在 Maxwell 2D 界面中，为绕组截面分配激励：Assign Excitation->Voltage（或Current）。在设置窗口中，关键步骤：将Source从DC或Sinusoidal改为External，并选择你在外部电路中定义的对应Port。
5. 这样，激励波形完全由外部电路定义，可以轻松实现 PWM、死区、软开关等复杂时序。

方式二：使用分段线性电压源（Piecewise Linear）—— 较简单如果不需要复杂电路，只想定义一个自定义的时域电压波形。

1. 为绕组截面分配激励：Assign Excitation->Voltage。
2. 在设置窗口中，将Function选为Piecewise Linear。
3. 在Data选项卡中，以(时间，电压值)的格式输入一系列点，例如(0, 0), (1e-6, 12), (2e-6, 12), (2.1e-6, 0), (4e-6, 0)来描述一个方波。
4. 这种方式比固定频率的正弦波更贴近实际开关电源波形。

4.2 设置边界条件与网格

1. 边界条件：对于 2D 模型，通常将最外层的空气区域边界设置为Balloon（气球边界），表示磁场在此处衰减至零。
2. 网格划分：
   • 关键操作：由于要计算涡流，导体和磁芯表面的网格需要加密。选中绕组和磁芯物体，右键Assign Mesh Operation->On Selection->Length Based。设置一个合适的最大单元长度（例如，小于趋肤深度的一半）。
   • 趋肤深度计算公式：δ = √(ρ / (π * f * μ))，其中 ρ 为电阻率，f 为频率，μ 为磁导率。对于 500kHz 的铜，趋肤深度约 0.1mm。

4.3 配置瞬态求解器——启用损耗计算

1. 右键点击Analysis->Add Solution Setup。
2. 在General选项卡设置仿真总时间（Stop time）和步长（Time step）。步长需远小于激励波形的最小时间单位（如 PWM 周期的 1/100）。
3. 最关键的一步：切换到Solver选项卡。
   • 勾选Enable Transient Solver（通常默认已勾选）。
   • 勾选Calculate Core Loss。只有勾选此项，软件才会在每一步求解时，利用材料中定义的 Core Loss 参数计算磁芯损耗。
   • 勾选Set Eddy Effect。在弹出的对话框中，选中所有绕组（铜）和磁芯物体。这意味着软件将求解这些区域内的涡流场。对于绕组，这计算的是涡流损耗；对于磁芯（如果材料导电），这也计算磁芯内的涡流损耗（通常很小，铁氧体不导电）。
4. 点击OK完成设置。

5. 运行仿真与结果验证

5.1 运行仿真

右键点击Setup1->Analyze。等待求解完成。求解时间取决于模型复杂度、网格数量和总步数。

5.2 验证仿真是否收敛

1. 求解完成后，查看Convergence数据。观察能量误差（Energy Error）是否随时间收敛到一个很小的值（如 <1%）。
2. 查看残差（Residual）曲线是否平滑下降并保持低位。
3. 如果未收敛，可能需要减小时间步长、加密网格或检查激励设置是否有突变导致数值不稳定。

5.3 查看基本场结果

先直观感受一下仿真是否正常：

1. 在Results上右键 ->Create Field Plot->Rectangular Plot。
2. 可以绘制磁力线（Flux Lines）、磁通密度矢量（B Vector）或磁通密度模（B）的分布。这能帮助你判断磁芯是否饱和，磁场分布是否合理。

6. 准确提取损耗数据——后处理关键操作

这是本文方法的精华所在。仿真完成后，软件已经计算了所有数据，我们需要用正确的方式把它“取出来”。

6.1 查看磁芯损耗（Core Loss）

由于我们在求解设置中勾选了Calculate Core Loss，软件会自动计算。

1. 在Results上右键 ->Create Transient Report->Rectangular Plot。
2. 在报告设置窗口中：
   • Category: 选择Core Loss。
   • Quantity: 选择TotalCoreLoss（总磁芯损耗），或者CoreLossx（某个磁芯部件的损耗，如果你将磁芯分成了多个物体）。
   • Function: 选择None或Avg（看个人需求）。
3. 点击New Report，即可生成磁芯损耗随时间变化的曲线。曲线应该是周期稳定的。
4. 获取数值：在报告图上右键 ->Export to File（如 CSV），可以导出数据用于计算平均损耗。或者，在报告窗口，点击Data Table标签，直接查看和复制数值。

6.2 查看绕组损耗（Winding Loss - Ohmic Loss）

绕组损耗（主要是涡流损耗）包含在总的欧姆损耗中。我们需要查看特定绕组的损耗。

1. 在Results上右键 ->Create Transient Report->Rectangular Plot。
2. 在报告设置窗口中：
   • Category: 选择Solid Loss。
   • 重要：Geometry这里需要选择。点击下拉箭头，展开模型树，精确选中你关心的那个绕组物体（例如Polyline1代表初级绕组）。
   • Quantity: 选择OhmicLoss。
   • Function: 选择None。
3. 点击New Report，生成该绕组的欧姆损耗（即涡流损耗+直流损耗）曲线。注意：在瞬态场中，由于电流是变化的，此处的OhmicLoss是瞬时值，包含了趋肤效应和邻近效应的影响。
4. 重复此步骤，为每个绕组生成报告。

6.3 使用场计算器进行高级提取（备选）

如果需要对特定区域进行更复杂的积分计算（例如，只计算绕组中某一部分的损耗），可以使用场计算器。

1. 打开Fields Calculator。
2. 流程大致为：Quantity->Ohmic Loss->Geometry（选择物体）->Scalar->Integrate->Evaluate。但此方法较为复杂，对于常规的部件总损耗提取，推荐使用上述 6.2 的报表方法。

7. 完整示例：一个 LLC 平面变压器仿真步骤

假设我们仿真一个 500kHz LLC 谐振变换器的平面变压器（E型磁芯，PCB绕组）。

步骤 1: 建模与材料

1. 在 Maxwell 2D 中，绘制 E 型磁芯截面（三个矩形）。 2. 绘制两个矩形分别代表初级和次级 PCB 绕组（铜箔），置于磁芯中柱两侧。 3. 绘制一个大矩形作为空气区域。 4. 分配材料：磁芯 -> `MnZn_Ferrite` (自定义材料，输入 Core Loss 参数)；绕组 -> `copper`，并修改 Model Type 为 `Solid`；空气 -> `vacuum`。

步骤 2: 激励与边界

1. 为初级绕组截面 Assign Excitation -> Voltage，选择 External，链接到外部电路。 2. 在外部电路中，用 VPULSE 源模拟半桥方波，设置 V1=0, V2=400V, TD=0, TR=1ns, TF=1ns, PW=1us, PER=2us (对应500kHz，50%占空比)。 3. 次级绕组截面 Assign Excitation -> Voltage，设置为 0V（模拟短路工况测损耗）或连接电阻负载。 4. 设置空气区域边界为 Balloon。

步骤 3: 网格与求解

1. 对绕组和磁芯表面施加 Length Based 网格操作，Max Length = 0.05mm。 2. 添加 Transient Setup， Stop Time = 20us (10个周期)， Time Step = 10ns。 3. 在 Solver 选项卡，勾选 Calculate Core Loss 和 Set Eddy Effect（选中所有绕组和磁芯）。

步骤 4: 运行与后处理

1. 运行仿真。 2. 创建报告： - Report 1: Core Loss -> TotalCoreLoss，查看磁芯损耗曲线。 - Report 2: Solid Loss -> Geometry (选择初级绕组) -> OhmicLoss，查看初级绕组损耗。 - Report 3: Solid Loss -> Geometry (选择次级绕组) -> OhmicLoss，查看次级绕组损耗。 3. 使用 Data Table 功能，导出最后几个周期的数据，计算平均损耗值。

8. 常见问题与排查思路

9. 最佳实践与工程建议

1. 从简到繁：初次搭建复杂模型时，先用一个简单的环形磁芯+单绕组模型，施加正弦激励，验证损耗计算流程是否正确。成功后再替换为实际平面变压器模型和 PWM 激励。
2. 善用参数化：对于优化设计，将关键尺寸（如气隙长度、绕组厚度）、激励参数（如频率、幅值）设置为变量。通过参数化扫描（Parametric Sweep）可以快速研究不同设计对损耗的影响。
3. 结果可信度验证：
   • 能量守恒：粗略验证。输入功率（源电压×电流）应略大于总损耗（磁芯损耗+绕组损耗+其它），差值表现为磁场储能的变化。
   • 趋势判断：磁芯损耗应随频率升高而增加（近似于 f^x 关系），绕组涡流损耗随频率升高增加更猛（与 f^2 相关）。如果趋势相反，必有问题。
   • 量级估算：根据经典公式（如 Steinmetz 公式、Dowell 公式）对损耗进行粗略估算，与仿真结果对比，应在同一数量级。
4. 模型简化与对称性：充分利用模型的对称性。如果变压器结构对称，可以只建立 1/2 或 1/4 模型，并施加奇对称或偶对称边界条件（Master/Slave），能极大缩短求解时间。
5. 关注损耗密度分布：不仅要看总损耗，更要通过场图查看Ohmic Loss Density和Core Loss Density的分布。这能直观揭示热点位置（如绕组拐角处、磁芯气隙附近），指导你进行结构优化（如增加绕组宽度、优化磁芯形状）。
6. 温度效应考虑：本文方法计算的是电磁损耗。在实际中，损耗会导致温升，而温升会改变材料的电阻率和磁芯特性，进而影响损耗。对于精确分析，可能需要将电磁仿真与热仿真进行耦合迭代。

通过本文详细介绍的“新”激励给定方式（外部电路/分段线性源）与核心设置（勾选Calculate Core Loss和Set Eddy Effect），你应当能够系统性地在 Maxwell 瞬态场中完成平面变压器的损耗仿真。这套方法的核心思想是让软件的工具各司其职：用电路描述驱动，用材料属性定义损耗机理，用求解器选项启用计算，用后处理报告提取结果。掌握这个流程，你就能将仿真从“看起来有磁场”的定性阶段，推进到“能准确预测损耗数值”的定量设计阶段，从而为高频磁性元件的优化提供坚实的数据支撑。建议你在实际项目中按照此流程逐步实践，并将关键步骤和设置保存为模板，以后遇到类似仿真任务时效率会大幅提升。