Maxwell Applications

Ansys Maxwell是一套電磁工程模擬軟體，可以用來分析低頻的電磁場與小電性尺寸的產品。

Maxwell主要是以Quasi-Static的電磁場模擬方法。準靜態模擬是一種電磁場模擬方法，通常用於分析電磁波在低頻或高阻抗結構中的傳播和反射特性。在這種情況下，電磁波的波長相對於結構的尺寸很長，因此可以將電磁場看作靜電場和靜磁場的組合，從而採用準靜態近似進行計算。

另一種模擬方法是Full-wave simulation(註一)，可以用於分析各種電磁問題，例如微小天線、微波電路、電感器件等。與Full-wave simulation相比，准靜態模擬計算速度更快，但精度相對較低，適用場合不同。

簡而言之，準靜態模擬只適用於頻率較低的情況，一般適用於頻率小於幾十MHz的電磁問題。如果分析的頻率較高，準靜態近似不再適用，需要使用Full-wave simulation等精確計算方法(註二)。

目前Maxwell都整合在ANSYS的AEDT API介面當中，如圖0-1。

圖0-1

Maxwell主要是利用Maxwell‘s equations 來求解(如圖0-2)，在有限空間並給予適當的邊界條件和初始條件，讓使用者可以做完整電磁場的分析計算。在利用軟體作分析的時候，必須要根據情況來選擇適當的求解器，不同的求解器會利用不同的Maxwell‘s equations來做求解。

圖0-2

Maxwell的分析是利用在空間中切3D的網格來計算，也是俗稱的有限元素法(FEM：Finite Element Method)。有限元素法（FEM）是一種數值分析方法，用於求解各種工程和物理問題中的偏微分方程。FEM將大型或複雜的問題分割成更小、更簡單的幾何形狀，然後通過求解這些小形狀的方程來近似求解原始問題。FEM廣泛應用於機械、土木、航空航天、核能、生物醫學和其他工程領域。

FEM的基本思想是將複雜的物理系統劃分為有限數量的較小的元素。每個元素可以是線、三角形、四邊形或其他形狀，而整個系統由這些元素的組合形成。通過在每個元素上定義適當的方程，FEM將原始問題轉化為求解線性代數方程組的問題。這些方程代表了在每個元素內部和元素之間的物理量之間的關係，例如位移、應力、溫度等。通過求解這些方程，可以獲得每個元素內部的物理量的解，並將這些解組合起來以獲得整個系統的解。

在Maxwell中的FEM是在材料空間中切出四角錐來分析各節點的電磁場。

圖0-3

Maxwell被廣為大家熟知的是馬達和磁性元件的設計。可是鮮少人知道其實他還有很多應用可以分析。例如和HFSS的耦合分析、無線充電、磁吸元件、功率模組、電流感測器...的設計，或是一些特別的應用如相機模組的穩定性分析、PCB的震動噪音分析...等。

圖0-4

註一： HFSS使用Full-wave simulation。

註二：在ANSYS中，低頻使用Maxwell，高頻則可以選擇HFSS。在這邊的高低頻軟體使用界定主要是由波長來做定義。