ANSYS Maxwell 2D求解齒槽轉(zhuǎn)矩的幾種方法

ANSYS Maxwell 2D求解齒槽轉(zhuǎn)矩的幾種方法齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機特有的問題之一，是高性能永磁電機設(shè)計和制造中必須考慮和解決的關(guān)鍵問題。其表現(xiàn)是當(dāng)永磁電機繞組不通電時，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”，計算并生成Maxwell 2D瞬態(tài)場算例。復(fù)制該算例，將新算例修改為靜磁場算例，并分別再復(fù)制一次靜磁場和瞬態(tài)場算例，刪除RMxprt算例，按照圖1重命名各個算例。圖1 算例重命名1靜磁場掃描轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度首先選中轉(zhuǎn)子軛和4個永磁體，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“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，求解完成后按照圖5的設(shè)置，查看靜磁場分析報告。因為本電機的軸向長度為65mm，而Maxwell 2D XY平面靜磁場求解的對象默認(rèn)長度為1m，因此需要在求解結(jié)果中加入“/1000*65”的運算。圖5 結(jié)果調(diào)用界面重命名該結(jié)果報告為“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為徑向充磁，其充磁方向由極坐標(biāo)定義，即N極充磁方向為R的正方向，S極充磁方向為R的負(fù)方向，參考坐標(biāo)系為“Global”坐標(biāo)。而實際工程中常常會遇到平行充磁的電機，對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的結(jié)果將是錯誤的，因此可以利用第2種方法分析齒槽轉(zhuǎn)矩。2靜磁場掃描定子旋轉(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)果對于任意方式定義的充磁方向均有效。3瞬態(tài)場求解空載低速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩多周期仿真打開瞬態(tài)場算例“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個以上周期，在前面一半時間以“1s”為仿真步長，快速達到穩(wěn)定；后面一半時間以“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)場齒槽轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果單周期仿真打開瞬態(tài)場算例“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)置本算例求解時長包含1個齒槽轉(zhuǎn)矩周期，結(jié)果如圖14所示。圖14 1周期瞬態(tài)場齒槽轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果4結(jié)果分析靜磁場仿真結(jié)果對比將靜磁場仿真結(jié)果導(dǎo)出，并做簡單的數(shù)據(jù)編輯后，導(dǎo)入到同一個結(jié)果窗口下，如圖15所示，二者結(jié)果吻合度較高。圖15 靜磁場仿真結(jié)果對比瞬態(tài)場仿真結(jié)果對比將瞬態(tài)場仿真結(jié)果導(dǎo)出，并做簡單的數(shù)據(jù)編輯后，導(dǎo)入到同一個結(jié)果窗口下，如圖16所示，2條曲線完全重合。圖16 瞬態(tài)場仿真結(jié)果對比靜磁場和瞬態(tài)場仿真結(jié)果對比將4個仿真結(jié)果完全導(dǎo)入到同一個結(jié)果窗口，瞬態(tài)場和靜磁場結(jié)果趨勢基本相同，有較小誤差。圖17 靜磁場和瞬態(tài)場仿真結(jié)果對比5總結(jié)在上述的靜磁場計算中，每一步計算都要重新迭代網(wǎng)格，速度較慢，并且需要Optimetrics License支持。靜磁場求解的對象模型默認(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)別對待。而瞬態(tài)場的1個周期和2個周期的計算結(jié)果相同；另外測試過，轉(zhuǎn)速1deg/sec和1min/sec的計算結(jié)果相同；計算中網(wǎng)格只需要劃分一次，且不需要Optimetrics License支持。