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ANSYS Maxwell 2D求解齒槽轉(zhuǎn)矩的幾種方法齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)特有的問題之一,是高性能永磁電機(jī)設(shè)計(jì)和制造中必須考慮和解決的關(guān)鍵問題。其表現(xiàn)是當(dāng)永磁電機(jī)繞組不通電時(shí),永磁體和定子鐵芯之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,它是永磁體與電樞齒之間相互作用力的切向分量引起的。Maxwell 2D可以有效仿真得出永磁電機(jī)電磁方案的齒槽轉(zhuǎn)矩,且方法較多。本文以R17.2 RMxprt中的自帶案例4極24槽“assm-1”為模板,介紹3種方法。打開該案例后,首先將系統(tǒng)中的案例另存到工作目錄下,然后在DesignSettings中設(shè)置“Fractions 1”,計(jì)算并生成Maxwell 2D瞬態(tài)場(chǎng)算例。復(fù)制該算例,將新算例修改為靜磁場(chǎng)算例,并分別再復(fù)制一次靜磁場(chǎng)和瞬態(tài)場(chǎng)算例,刪除RMxprt算例,按照?qǐng)D1重命名各個(gè)算例。圖1 算例重命名1靜磁場(chǎng)掃描轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度首先選中轉(zhuǎn)子軛和4個(gè)永磁體,做旋轉(zhuǎn)操作,在彈出窗口中設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度為變量“my_ang”,并定義變量初始值為“0 deg”,如圖2所示。圖2 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子然后選中模型“Band”,在“Parameters” 中定義求解轉(zhuǎn)矩,如圖3所示。圖3 定以轉(zhuǎn)矩求解在“Analysis”中添加1個(gè)“Setup”,設(shè)置迭代精度誤差為0.1%,最后在“Optimetrics”中設(shè)置變量“my_ang”的掃描范圍為線性步長0 deg ,20 deg,步長0.2 deg,如圖4所示。圖4 Optimetrics掃描范圍設(shè)置設(shè)置完成后即可求解,求解完成后按照?qǐng)D5的設(shè)置,查看靜磁場(chǎng)分析報(bào)告。因?yàn)楸倦姍C(jī)的軸向長度為65mm,而Maxwell 2D XY平面靜磁場(chǎng)求解的對(duì)象默認(rèn)長度為1m,因此需要在求解結(jié)果中加入“/1000*65”的運(yùn)算。圖5 結(jié)果調(diào)用界面重命名該結(jié)果報(bào)告為“Cogging_ Torque”,齒槽轉(zhuǎn)矩結(jié)果如圖6所示。圖6 掃描轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度所得齒槽轉(zhuǎn)矩曲線值得注意的是,RMxprt一鍵有限元生成的表貼式永磁體充磁方向?yàn)閺较虺浯牛涑浯欧较蛴蓸O坐標(biāo)定義,即N極充磁方向?yàn)镽的正方向,S極充磁方向?yàn)镽的負(fù)方向,參考坐標(biāo)系為“Global”坐標(biāo)。而實(shí)際工程中常常會(huì)遇到平行充磁的電機(jī),對(duì)于平行充磁最常用的處理方式是建立參考坐標(biāo)系,永磁體的充磁方向參考特定參考坐標(biāo)系的X軸正方向。而在上述操作中,參考坐標(biāo)系無法跟隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),使用本方法分析平行充磁時(shí)的結(jié)果將是錯(cuò)誤的,因此可以利用第2種方法分析齒槽轉(zhuǎn)矩。2靜磁場(chǎng)掃描定子旋轉(zhuǎn)角度打開“2_Cogging_Torque_MS_Stator”算例,首先選擇“Stator”和所有的線圈,做旋轉(zhuǎn)操作,設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度為變量“my_Stator_ang”,變量初始值為“0 deg”,如圖7所示。圖7 旋轉(zhuǎn)定子按照算例“1_Cogging_Torque_MS_Rotor”的方法設(shè)置“Torque1”和“Setup1”,在“Optimetrics”中設(shè)置圖8所示掃描范圍。圖8 Optimetrics掃描范圍設(shè)置求解完成后查看齒槽轉(zhuǎn)矩結(jié)果,如圖9、10所示。圖9 齒槽轉(zhuǎn)矩調(diào)用界面圖10 掃描轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度所得齒槽轉(zhuǎn)矩曲線本方法中,永磁體不旋轉(zhuǎn),因此充磁方向不改變,分析結(jié)果對(duì)于任意方式定義的充磁方向均有效。3瞬態(tài)場(chǎng)求解空載低速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩多周期仿真打開瞬態(tài)場(chǎng)算例“3_Cogging_Torque_TR_2Period”,首先修改模型轉(zhuǎn)速為“1 deg_per_sec”,初始角修改為“-20 deg”,然后在網(wǎng)格劃分中設(shè)置合理劃分規(guī)則,再將“Excitations”刪除(右鍵Delete All),將求解設(shè)置修改為圖11所示。圖11 求解設(shè)置本算例中求解2個(gè)以上周期,在前面一半時(shí)間以“1s”為仿真步長,快速達(dá)到穩(wěn)定;后面一半時(shí)間以“0.2s”為仿真步長,得到較高精度。結(jié)果如圖12所示圖12 2周期瞬態(tài)場(chǎng)齒槽轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果單周期仿真打開瞬態(tài)場(chǎng)算例“4_Cogging_Torque_TR_1Period”,設(shè)置初始角為“0 deg”,轉(zhuǎn)速為“1deg_per_sec”,求解設(shè)置如圖13所示圖13 1周期求解設(shè)置本算例求解時(shí)長包含1個(gè)齒槽轉(zhuǎn)矩周期,結(jié)果如圖14所示。圖14 1周期瞬態(tài)場(chǎng)齒槽轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果4結(jié)果分析靜磁場(chǎng)仿真結(jié)果對(duì)比將靜磁場(chǎng)仿真結(jié)果導(dǎo)出,并做簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)編輯后,導(dǎo)入到同一個(gè)結(jié)果窗口下,如圖15所示,二者結(jié)果吻合度較高。圖15 靜磁場(chǎng)仿真結(jié)果對(duì)比瞬態(tài)場(chǎng)仿真結(jié)果對(duì)比將瞬態(tài)場(chǎng)仿真結(jié)果導(dǎo)出,并做簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)編輯后,導(dǎo)入到同一個(gè)結(jié)果窗口下,如圖16所示,2條曲線完全重合。圖16 瞬態(tài)場(chǎng)仿真結(jié)果對(duì)比靜磁場(chǎng)和瞬態(tài)場(chǎng)仿真結(jié)果對(duì)比將4個(gè)仿真結(jié)果完全導(dǎo)入到同一個(gè)結(jié)果窗口,瞬態(tài)場(chǎng)和靜磁場(chǎng)結(jié)果趨勢(shì)基本相同,有較小誤差。圖17 靜磁場(chǎng)和瞬態(tài)場(chǎng)仿真結(jié)果對(duì)比5總結(jié)在上述的靜磁場(chǎng)計(jì)算中,每一步計(jì)算都要重新迭代網(wǎng)格,速度較慢,并且需要Optimetrics License支持。靜磁場(chǎng)求解的對(duì)象模型默認(rèn)長度是1m,在后處理中需要做特殊處理。平行充磁和徑向充磁需要區(qū)別對(duì)待。而瞬態(tài)場(chǎng)的1個(gè)周期和2個(gè)周期的計(jì)算結(jié)果相同;另外測(cè)試過,轉(zhuǎn)速1deg/sec和1min/sec的計(jì)算結(jié)果相同;計(jì)算中網(wǎng)格只需要?jiǎng)澐忠淮?,且不需要Optimetrics License支持。
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