전기자동차, 산업용 모터, 발전기, 변압기 등 다양한 전기·전자 시스템에서는 전자기장 특성을 정확하게 분석하는 것이 중요합니다.
전자기장 분포는 전기기기의 토크, 손실, 효율 및 발열 특성에 영향을 미치기 때문에 설계 단계부터 적절한 검증이 필요합니다.
이때 활용되는 대표적인 전자기 시뮬레이션 솔루션이 Ansys Maxwell입니다.
Ansys Maxwell은 유한요소법(FEM)을 기반으로 전기기기와 전자기 장치의 자기장 및 전기장 특성을 분석하는 소프트웨어입니다.
이번 글에서는 Ansys Maxwell의 주요 기능과 정자기·와전류·과도 해석의 차이, 전기모터 및 변압기 등 주요 활용 분야를 소개합니다.
또한 모아소프트에서 소개한 Ansys Maxwell 세미나 자료와 함께 실제 엔지니어링 업무에서 활용할 수 있는 기본 해석 절차를 살펴보겠습니다.
Ansys Maxwell란? 전자기장 해석 소프트웨어
Ansys Maxwell은 전기기기 및 전자기 장치의 성능을 분석하기 위한 2D·3D 전자기장 유한요소해석(FEA) 솔루션입니다.
정적 상태, 주파수 영역 및 시간에 따라 변화하는 전자기 현상을 분석할 수 있으며, 다양한 전기기기의 설계와 성능 검토에 활용됩니다.
대표적인 해석 대상으로는 전기모터, 발전기, 변압기, 인덕터, 솔레노이드 및 액추에이터 등이 있습니다.
전자기장 해석을 통해 다음과 같은 결과를 검토할 수 있습니다.
- 자기장 및 자속밀도 분포
- 전기장 및 전위 분포
- 인덕턴스와 정전용량
- 전자기력과 토크
- 와전류 및 관련 손실
- 시간에 따른 전자기 응답
분석할 수 있는 물리량은 사용하는 솔버와 모델 조건에 따라 달라집니다.
Ansys Maxwell의 주요 특징
Ansys Maxwell은 다음과 같은 기능을 제공합니다.
1. 2D 및 3D 전자기장 해석
대상 장치의 형상과 분석 목적에 따라 2차원 또는 3차원 모델을 구성할 수 있습니다.
2. 유한요소법 기반 해석
전자기 현상을 수치적으로 계산하여 복잡한 형상과 재료의 특성을 반영할 수 있습니다.
3. 자동 적응형 격자 생성
해석에 필요한 유한요소 격자를 생성하고, 지원되는 해석에서는 적응형 격자 개선을 활용할 수 있습니다.
4. 다양한 전자기 솔버
정자기, 정전기, 와전류 및 과도 자기장 등 해석 목적에 맞는 솔버를 선택할 수 있습니다.
5. 다른 Ansys 솔루션과 연계
전자기 해석 결과를 열, 구조 및 시스템 수준의 분석과 연계하는 다중물리 해석 워크플로를 구성할 수 있습니다.
Ansys Maxwell 주요 전자기장 해석 기능
Ansys Maxwell은 분석하려는 전자기 현상과 운전 조건에 따라 다양한 해석 기능을 제공합니다.
1. 정자기 해석(Magnetostatic)
정자기 해석은 시간에 따라 변화하지 않는 자기장 상태를 분석하는 방법입니다.
영구자석이나 직류 전류에 의해 형성되는 자기장 분포를 검토할 수 있습니다.
대표적으로 자기회로, 자석 구조, 솔레노이드 및 액추에이터 등의 설계 분석에 활용됩니다.
주요 분석 항목은 자속밀도, 자기장 분포, 자기력 및 인덕턴스 등입니다.
2. 와전류 해석(Eddy Current)
와전류 해석은 시간에 따라 변화하는 자기장에 의해 도체 내부에 유도되는 전류와 관련 현상을 분석합니다.
교류 자기장에 노출된 도체에서는 와전류가 발생할 수 있으며, 이는 손실과 발열의 원인이 될 수 있습니다.
Ansys Maxwell은 이러한 전류 분포와 손실 특성을 검토하는 데 활용됩니다.
대표적인 적용 분야는 변압기, 인덕터, 전자기 장치 및 전력용 도체 등입니다.
3. 정전기 해석(Electrostatic)
정전기 해석은 시간에 따라 변하지 않는 전기장과 전위 분포를 분석합니다.
전극 사이의 전기장 분포와 정전용량 등을 검토할 수 있습니다.
전기적 절연 설계와 정전용량 특성 분석 등에 활용됩니다.
4. DC 전도 해석(DC Conduction)
DC 전도 해석은 직류 전압이 인가된 도체 또는 전도성 재료에서 전류가 흐르는 특성을 분석합니다.
전류밀도와 전위 분포를 확인하여 전도 경로의 특성을 검토할 수 있습니다.
5. 전기 과도 해석(Electric Transient)
전기 과도 해석은 시간에 따라 변화하는 전기장 및 전기적 응답을 분석하는 데 활용됩니다.
과도 상태에서 발생하는 전기장 변화를 확인해야 하는 전기 시스템 분석에 적용할 수 있습니다.
6. 자기 과도 해석(Magnetic Transient)
자기 과도 해석은 시간에 따라 변화하는 자기장과 전자기력을 분석하는 방법입니다.
특히 회전 또는 직선 운동을 고려한 전자기 장치의 동작 특성을 검토할 수 있습니다.
전기모터, 발전기 및 전자기 액추에이터처럼 운동과 전자기 현상이 결합된 장치의 성능 분석에 활용됩니다.
Ansys Maxwell 정적·과도 해석 비교
| 해석 유형 | 주요 분석 내용 | 대표 적용 대상 |
|---|---|---|
| Magnetostatic | 정적 자기장, 자기력, 인덕턴스 | 영구자석, 솔레노이드 |
| Eddy Current | 교류 자기장, 와전류, 손실 | 변압기, 인덕터 |
| Electrostatic | 정적 전기장, 전위, 정전용량 | 전극 및 절연 구조 |
| DC Conduction | 직류 전류밀도와 전위 | 전도성 구조 |
| Electric Transient | 시간에 따른 전기적 응답 | 과도 전기장 시스템 |
| Magnetic Transient | 시간에 따른 자기장, 힘, 토크 | 모터, 발전기, 액추에이터 |
어떤 해석 방법을 선택하는지는 전기기기의 구조, 재료 특성, 입력 조건 및 분석 목적에 따라 결정됩니다.
Ansys Maxwell 주요 활용 사례
Ansys Maxwell은 전기·전자 시스템의 설계 및 성능 평가에 활용할 수 있습니다.
다음 사례는 Ansys가 공식적으로 소개하는 대표적인 적용 분야입니다.
1. 전기모터 및 발전기 전자기 해석
전기모터는 전류와 자기장의 상호작용을 통해 회전력을 발생시키는 장치입니다.
Ansys Maxwell을 활용하면 모터 내부의 자속밀도 분포와 전자기 토크, 손실 및 시간에 따른 특성을 분석할 수 있습니다.
대표적인 분석 항목은 다음과 같습니다.
- 모터 내부 자기장 분포
- 전자기 토크 및 토크 리플
- 철손 및 도체 손실
- 역기전력(Back EMF)
- 회전자 위치에 따른 전자기 특성
이러한 분석 결과는 전기모터의 설계 검토와 성능 개선에 활용할 수 있습니다.
2. 변압기 및 인덕터 해석
변압기와 인덕터는 자기장을 이용하는 대표적인 전력전자 부품입니다.
Ansys Maxwell은 코어와 권선 구조에서 발생하는 자기장 분포와 손실 특성을 분석하는 데 활용할 수 있습니다.
대표적인 분석 항목은 다음과 같습니다.
- 코어 내부 자속밀도 분포
- 권선 간 자기적 결합 특성
- 인덕턴스 및 누설 인덕턴스
- 와전류 및 자기적 손실
- 재료와 형상에 따른 성능 변화
분석 결과는 전자기 부품의 구조와 재료 선택을 검토하는 데 도움이 됩니다.
3. 솔레노이드 및 액추에이터 해석
솔레노이드와 액추에이터는 전자기력을 이용하여 기계적인 운동을 발생시키는 장치입니다.
Ansys Maxwell을 활용하면 코일의 전류와 자성체의 구조에 따른 자기장 및 힘의 변화를 분석할 수 있습니다.
또한 위치 변화에 따른 전자기 특성을 검토하여 설계 조건을 비교할 수 있습니다.
4. 무선 전력전송 및 전자기 결합 분석
무선 전력전송 시스템에서는 송신 코일과 수신 코일 사이의 자기적 결합이 중요합니다.
Maxwell은 코일 구조와 위치에 따른 자기장 분포와 결합 특성을 평가하는 데 활용될 수 있습니다.
이를 통해 코일 배치와 재료, 간격 등 설계 변수가 전자기 특성에 미치는 영향을 분석할 수 있습니다.
Ansys Maxwell 해석 절차 6단계
Ansys Maxwell의 전자기 시뮬레이션은 해석 목적에 따라 달라지지만, 일반적으로 다음과 같은 흐름으로 수행할 수 있습니다.
1단계. 형상 모델링
분석하려는 전기기기의 2D 또는 3D 형상을 구성합니다.
모터의 경우 고정자, 회전자, 권선과 자석 등 주요 구성 요소를 모델링합니다.
2단계. 재료 물성 설정
모델에 사용되는 도체, 자성체, 절연체 등의 재료 특성을 입력합니다.
자성 재료의 비선형 특성과 온도 의존성 등은 분석 목적에 따라 고려할 수 있습니다.
3단계. 솔버 및 해석 조건 설정
Magnetostatic, Eddy Current, Transient 등 필요한 해석 유형을 선택합니다.
전류, 전압, 권선 정보 및 경계 조건을 설정합니다.
4단계. 메시(Mesh) 생성
유한요소해석에 필요한 격자를 생성합니다.
형상이 복잡하거나 전자기장 변화가 큰 영역에서는 충분한 계산 정확도를 확보하도록 격자 설정을 검토합니다.
5단계. 해석 실행
설정된 조건을 기반으로 전자기장 계산을 수행합니다.
해석 종류에 따라 자기장, 전기장, 토크 및 손실 등의 결과를 확인할 수 있습니다.
6단계. 결과 분석 및 설계 검토
계산된 자기장과 전기장 분포를 시각화하고 필요한 성능 지표를 분석합니다.
설계 조건을 변경하여 결과를 비교하거나 추가적인 열·구조 해석으로 확장할 수 있습니다.
Ansys Maxwell과 다른 Ansys 솔루션 연계
전자기 해석 결과는 다른 물리 현상과 연계하여 보다 종합적인 시스템 분석에 활용할 수 있습니다.
대표적인 연계 솔루션은 다음과 같습니다.
| 솔루션 | 주요 역할 |
|---|---|
| Ansys Motor-CAD | 전기모터의 전자기·열·기계 성능 분석 |
| Ansys Mechanical | 전자기력에 의한 구조적 응답 분석 |
| Ansys Icepak | 전기·전자 시스템의 열관리 분석 |
| Ansys Twin Builder | 시스템 수준 모델링 및 디지털 트윈 |
| Ansys optiSLang | 설계 변수 분석 및 최적화 |
실제 연계 가능 범위는 제품 구성과 라이선스 및 사용하는 버전에 따라 달라질 수 있습니다.
Ansys Maxwell 관련 설계 도구
모아소프트의 원본 세미나 소개에서는 RMxprt, PExprt 및 Simplorer도 언급하고 있습니다.
RMxprt
RMxprt는 전기회전기 설계에 활용되는 도구입니다.
모터의 초기 설계 및 성능 검토에 활용할 수 있으며, 상세한 전자기장 분석으로 연계하는 작업에 도움을 줍니다.
PExprt
PExprt는 변압기와 인덕터 등 전력자기 부품 설계와 관련된 도구입니다.
전자기 부품의 초기 설계와 상세 해석을 연계하는 데 활용됩니다.
Simplorer
Simplorer는 전기·전자 및 제어 시스템의 다중 도메인 시뮬레이션과 관련된 기존 제품 명칭입니다.
현재 Ansys 제품 구성에서는 시스템 시뮬레이션 관련 기능이 Ansys Twin Builder 등과 연계되어 제공되므로, 도입 시 최신 제품 명칭과 지원 범위를 확인하는 것이 좋습니다.
Ansys Maxwell 세미나 및 해석 사례 영상
모아소프트에서는 Ansys Maxwell의 기능과 해석 사례를 소개하는 세미나 콘텐츠를 제공하고 있습니다.
본 영상은 2024년 한국기계연구원 Ansys 2024 R2 What’s New Seminar에서 발표된 자료입니다.
전자기장 해석의 주요 기능과 다양한 응용 사례를 확인하려면 기존 세미나 영상을 참고하시기 바랍니다.
▲ 본 영상은 2024년 한국기계연구원 Ansys 2024 R2 What’s New Seminar에서 발표되었습니다.
Ansys Maxwell FAQ
Q1. Ansys Maxwell은 어떤 소프트웨어인가요?
Ansys Maxwell은 유한요소법을 활용하여 전기기기와 전자기 장치의 정적 및 시변 전자기장 특성을 분석하는 2D·3D 시뮬레이션 소프트웨어입니다.
Q2. Ansys Maxwell은 전기모터 해석에 사용할 수 있나요?
네. 모터 내부 자기장 분포, 전자기 토크, 손실 및 역기전력 등의 특성을 분석할 수 있습니다.
Q3. Maxwell 2D와 3D의 차이는 무엇인가요?
Maxwell 2D는 2차원으로 표현할 수 있는 모델을 분석하는 데 활용하며, Maxwell 3D는 3차원 형상과 전자기장 분포를 고려하는 분석에 사용합니다. 적합한 모델은 대상 장치와 분석 목적에 따라 선택해야 합니다.
Q4. Ansys Maxwell에서 와전류 해석이 가능한가요?
네. Eddy Current 해석을 통해 시간에 따라 변화하는 자기장과 도체에 유도되는 전류 및 관련 손실을 분석할 수 있습니다.
Q5. Ansys Maxwell은 열해석과 연계할 수 있나요?
네. 전자기 해석에서 계산된 손실 등을 열해석 솔루션과 연계하여 전자기·열 특성을 함께 검토하는 워크플로를 구성할 수 있습니다.
결론: Ansys Maxwell을 활용한 전자기장 해석과 설계 검증
Ansys Maxwell은 전기모터, 발전기, 변압기, 인덕터 및 액추에이터 등 다양한 전기·전자 장치의 성능을 분석하는 전자기장 시뮬레이션 솔루션입니다.
정자기, 정전기, 와전류 및 과도 해석 기능을 통해 자기장과 전기장 분포, 전자기력 및 손실 특성 등을 검토할 수 있습니다.
특히 다른 Ansys 솔루션과의 연계를 통해 전자기 분석을 열, 구조 및 시스템 수준의 검증으로 확장할 수 있습니다.
모아소프트는 Ansys Maxwell 솔루션과 관련 교육 및 세미나를 통해 다양한 전자기장 해석 기술 정보를 제공하고 있습니다.
Ansys Maxwell의 기능, 해석 환경 및 솔루션 도입에 관한 자세한 내용은 모아소프트를 통해 확인할 수 있습니다.
문의 및 기술 협력
- 대표 문의: 02-420-3203
- 홈페이지: 기술 문의하기
