基于Maxwell 2D的长定子直线同步电动机仿真

基于Maxwell的永磁同步电机短路故障诊断研究作者：乔俊宇曲娜鹿昭勋来源：《科技资讯》2018年第12期摘要：针对缺少成熟电动机分析方法的情况，文章建立了基于Maxwell的永磁同步电动机二维有限元模型。

通过仿真得到电机在正常工作和匝间短路故障情况下的电磁场分布和相关性能曲线。

得到了不同条件下，反电势三次谐波含量随匝间短路程度的加剧而减少等结论，为永磁同步电机定子绕组早期匝间短路故障诊断提供了依据。

关键词：匝间短路故障诊断永磁同步电机 Maxwell中图分类号：TM313 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（c）-0124-02Abstract：As the current analysis method of motor is not sufficient， the finite element model of the two dimensional transient field of the permanent magnet synchronous motor based on Maxwell is established. By using Maxwell's powerful electromagnetic field analysis and reprocessing function，the electromagnetic field distribution and related performance curves of the motor in normal and inter-turn short circuit fault are obtained. The conclusions such as three harmonics of anti-electric potential decrease with the degree of short-circuiting between turns are obtained under different conditions. This paper provides a basis for the early short-circuit fault diagnosis of the permanent magnet synchronous motor.Key Words：Interturn short-circuit； Fault diagnosis； Permanent magnet synchronous motor； Maxwell永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的电机，永磁同步电机定子匝间短路故障是一种常见的、破坏性强的故障，如果不能及时发现并排除，将出现相间短路故障、对地故障等严重故障。

1 线感应电机的模型建立1.1 磁场方程的推导由Maxwell 方程反应宏观的时变电磁场，其微分形式如下。

H J ∇×=+（1） B E tδδ∇×=−（2） 0B ∇•= （3） J E δ= （4）式中：H—磁场强度； E—电场强度； B—磁感应强度；J—电流密度； δ--电导率； t—时间；D—电场通量；1.2 直线感应电机的maxwell 软件建模通过ANYSY EM 软件中的Maxwell 模块建立直线感应电机的2D 有限元模型，二维场中只考虑了电机的纵向边端效应，而其它影响相对较小可忽略。

直线感应电机建模参数如表1所示。

表1 直线感应电机的主要参数类别参数值初级绕组相电压/V 320频率/Hz24初级铁心长度/m 1�926初级铁芯高度/mm150初级铁心宽度/mm 300相数 3每极每相槽数 3级数 6极距/mm 288槽宽/mm 23齿距/mm 9槽深/mm 100线圈匝数 5每极线圈匝数 90初次级气隙/mm 15次级感应板铝板厚度/mm 5次级感应板钢板厚度/mm 25次级感应板宽度/mm 310次级感应板断开间距/m 2初级运动距离/m 6绕线形式 双层Y6a1建模的步骤：电机的几何模型建立、各部分材料选择、设定边界条件和激励源、进行网格剖分、定义执行参数和求解选项。

其中设置的运动部分是初级铁心和绕组，得到如下图的2D 模型如图1，图2是直线感应电机的网格剖分图，图3是直线感应电机的磁感线分布图。

2 控制电路的搭建搭建控制电路由直流电逆变为交流电给直线感应电机供电，而逆变电路的控制信号则由SVPWM 模块提供，图4是整个仿真过mathematical equation, and then the control circuit is built by using SIMPLORE software� On SIMPLORE, the motor model built by Maxwell is embedded into SIMPLORE to carry out cosimulation� Through co-simulation, the actual operation of the motor can be objectively reflected, and the experimental platform for the control of the motor can be provided� It is of high practical value�Key words : Linear induction motors;Simplore;Maxwell;Co-simulation图7 直线感应电机三相电流波形图8是直线感应电机的速度波形图电机从0开始加速起初力较小加速度较小，速度上升的比较缓慢，而后随着力的增大速度快速增加，当达到最大值后，速度会在一定的范围波动。

maxwell电机仿真实例1.介绍Maxwell电机仿真的背景和意义Maxwell电机仿真是一种通过计算机软件模拟电机工作原理和性能的技术。

随着电机设计和制造水平的不断提升，对电机性能和效率的要求也越来越高，因此精确的电机仿真技术变得越来越重要。

Maxwell是一款由ANSYS公司开发的电磁场仿真软件，广泛应用于电机设计和优化领域。

通过Maxwell电机仿真，可以准确地预测电机的性能指标，优化电机结构和参数，提高电机的效率和性能。

2. Maxwell电机仿真的原理和方法Maxwell电机仿真的原理是基于有限元分析方法。

有限元分析是一种数值分析方法，通过将电机结构离散为有限数量的小单元，建立数学模型，然后利用计算机进行求解，得到电机的电磁场分布、电磁力和转矩等物理量。

Maxwell软件提供了丰富的建模工具和分析功能，可以对不同类型的电机进行精确的仿真和优化。

Maxwell电机仿真的方法包括建模、网格划分、材料定义、边界条件设定、求解和后处理。

首先需要根据电机的结构和电磁特性建立三维模型，然后进行网格划分，将电机结构离散为有限数量的单元。

接着需要定义电机材料的磁导率、电导率和损耗特性，设定电机的边界条件，如气隙边界、绕组等。

然后对电机进行求解，得到电磁场分布、磁场激励、电磁力和转矩等物理量。

最后进行后处理，分析电机的性能指标，如效率、功率因素、损耗等，优化电机的结构和参数。

3. Maxwell电机仿真的应用领域Maxwell电机仿真广泛应用于各类电机的设计和优化领域。

具体包括以下几个方面：（1）电机性能分析和预测：Maxwell电机仿真可以对不同类型的电机进行精确的仿真和分析，预测电机的性能指标，如电磁力、转矩、磁场分布等。

通过仿真可以发现电机存在的问题和不足，提出改进措施。

（2）电机结构优化：Maxwell电机仿真可以对电机的结构和参数进行优化，找到最优的设计方案。

可以改变电机的绕组形式、气隙间隙、磁路长度等参数，以提高电机的效率和性能。

文章编号:１００４－２８９Ｘ(２０２２)０４－００６７－０５同步电机二维电磁场仿真分析张猛(辽宁轨道交通职业学院ꎬ辽宁㊀沈阳㊀１１００００)摘㊀要:在当前 双碳 目标的发展趋势下ꎬ新能源汽车日益增多ꎮ因此ꎬ提升电机效率㊁降低电机损耗成为同步电机的主要发展方向ꎮ本文首先介绍同步电机的结构和电磁参数ꎮ其次ꎬ根据实际情况建立同步电机二维模型ꎬ并通过Ｍａｘｗｅｌｌ软件对所建模型进行稳态电磁仿真实验ꎬ分析发电机的磁路走向㊁磁通密度和磁场强度ꎮ最后ꎬ基于电磁场理论ꎬ将麦克斯韦方程作为控制方程及边际条件ꎬ通过有限元法对同步电机进行电磁分析ꎮ通过添加时间步进行瞬态电磁场仿真实验ꎬ仿真负载电机输出功率与转矩ꎬ计算损耗和效率ꎬ分析在启动和空载下ꎬ电机内部磁场的分布和变化规律ꎮ关键词:电磁场分析ꎻ电机设计中图分类号:ＴＭ３４１㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:ＢＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＴｗｏ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄｏｆａＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒＺＨＡＮＧＭｅｎｇ(ＴｈｅＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＴｒａｃｋＴｒａｆｆｉｃｏｆＬｉａｏｎｉｎｇꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１００００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆ"ｄｕａｌｃａｒｂｏｎ"ｔａｒｇｅｔꎬｎｅｗｅｎｅｒｇｙｖｅｈｉｃｌｅｓａｒｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｄａｙｂｙｄａｙ.Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｉｍｐｒｏｖｉｎｇｍｏｔｏｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｒｅｄｕｃｉｎｇｍｏｔｏｒｌｏｓｓｈａｖｅｂｅｃｏｍｅｔｈｅｍａｉｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ.Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｉｒｓｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ.Ｓｅｃｏｎｄｌｙꎬａｔｗｏ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎꎬａｎｄＭａｘ￣ｗｅｌｌｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｄｕｃｔｓｔｅａｄｙ￣ｓｔａｔｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｍｏｄｅｌｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｃｉｒｃｕｉｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎꎬｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ.Ｆｉｎａｌｌｙꎬｂａｓｅｄｏｎｅｌｅｃ￣ｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｔｈｅｏｒｙꎬｍａｘｗｅｌｌ'ｓｅｑｕａｔｉｏｎｉｓｔａｋｅｎａｓｔｈｅｇｏｖｅｒｎｉｎｇｅｑｕａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｍａｒｇｉｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎꎬａｎｄｅｌｅｃ￣ｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄꎬｗｈｉｃｈｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｓｍａｇｎｅｔｉｃｐａｔｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎꎬｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙ.Ｔｈｅｌｏｓｓａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎬａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕ￣ｔｉｏｎａｎｄｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｕｎｄｅｒｓｔａｒｔｉｎｇａｎｄｎｏｌｏａｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓꎻｍｏｔｏｒｄｅｓｉｇｎ１㊀引言近年来ꎬ随着新能源汽车的快速发展ꎬ提高电池与电机性能成为新能源汽车的研究重点ꎮ永磁同步电机具有功率密度大㊁效率高等特点ꎬ在电动汽车领域快速发展ꎮ鉴于当前国内电机生产厂家使用的电机计算机辅助设计所存在的不足ꎬ本文基于电磁场理论ꎬ以有限元方程的角度研究同步电机的电磁分析ꎬ研究总结设计参数对电磁分布的影响ꎬ可为电机设计领域提供一定程度的参考ꎬ具有一定的市场前景ꎮ㊀㊀我国在电动汽车方面的研究始于２０世纪８０年代ꎬ近年来ꎬ我国在电机技术方面取得了显著成效ꎮ㊀㊀在２０１５年ꎬ日本丰田公司引进Ｖ形转子结构的永磁同步电动机ꎬ其转子磁路结构经过改良ꎬ每分钟可旋转１７０００ｒꎬ最高功率５３ｋＷꎮ２０１３年ꎬ德国ＢＭＷ公司生产的内置式永磁同步电机ꎬ通过将磁阻式同步电动机与永磁同步电动机相结合ꎬ并在此基础上设计出一种块式斜极型磁极ꎬ有效减少了转矩波动ꎮ其峰值功率为１２５ｋＷꎬ最高转速为１１４００ｒｐｍꎮ美国Ｔｅｓｌａ公司于２０１７年推出一款名为Ｍｏｄｅｌ３的电动车ꎬ其驱动马达为１９２ｋＷ的永磁同步电动机ꎬ通过在定子铁心轭处挖掘大量油槽ꎬ以增强其冷却效果ꎮ㊀㊀本文根据同步电动机设计的基础理论ꎬ通过分析和研究同步电机的设计思想㊁工作原理和整体结构ꎬ并结合麦克斯韦方程组推导出电机内电磁场的控制方程ꎬ运用Ｍａｘｗｅｌｌ对同步发电机的磁力线㊁磁密㊁磁场强度以及某气隙路径下的磁感应强度曲线等进行分析ꎮ最后添加时间步ꎬ对模型进行瞬态电磁仿真ꎬ观测输出转矩和旋转磁场的变化情况ꎮ２㊀同步电机工作原理２.１㊀同步电机结构㊀㊀凸极同步电动机结构如图１所示ꎮ图１㊀同步电机结构图㊀㊀同步电动机由定子和转子两个部件组成ꎬ定子是电动机的静态部件ꎬ由铁心㊁绕组和底座三个部件组成ꎮ转子根据结构的不同ꎬ可分为直流励磁和无需励磁两种ꎮ２.２㊀工作原理㊀㊀如图１所示ꎬ定子三相绕组与三相交流电连接ꎬ形成电枢转动磁场ꎮ同步电机的电磁转矩与电枢磁极轴和转子磁轴的角度有关ꎬ当外加电压和电机的励磁电流相同时ꎬ在某一特定的范围内ꎬ随着角度的增大ꎬ电机的电磁转矩也会增大ꎮ２.３㊀数学模型㊀㊀(１)坐标变换在对同步电动机进行数学建模时ꎬ通常采用三相静止坐标系㊁两相静止坐标系和两相同步转动坐标系ꎮ图２显示了三种座标系统ꎬＡＢＣ是三相静态座标系ꎬ而阿尔法－β是两相固定座标系统ꎬｄ－ｑ是两相转动座标系ꎮ图２㊀三种坐标示意图㊀㊀将三相静态座标系统ＡＢＣ转换成两相静态座标系统的座标转换为Ｃｌａｒｋ转换ꎬ由上面ＡＢＣ座标系和两相静态座标系αβ之间的关系ꎬ得到了由方程式(１)表示的座标转换式:[ｆαｆβｆ０]＝Ｔ３π/２ｓ[ｆＡｆＢｆＣ]Ｔ(１)式中:Ｔ３π/２ｓ为ｃｌａｒｋ变换的坐标变换矩阵ꎮ㊀㊀将两相静止座标系统转换成ＡＢＣ的转换叫做反克莱克转换ꎬ它可以由以下几种形式来表达:[ｆＡｆＢｆＣ]＝Ｔ２π/３ｓ[ｆαｆβｆ０]Ｔ(２)式中ꎬＴ２π/３ｓ为反ｃｌａｒｋ变换的坐标变换矩阵ꎬ可表示为:㊀㊀将两相静态座标系统中的ａβ转换成两相同步转动座标系统ｄｑ的座标转换为Ｐａｒｋ转换ꎬ按照图１ꎬ由方程式(３)表示的ａβ和ｄｑ座标系统的关系ꎮ[ｆｄｆｑ]Ｔ＝Ｔ２ｓ/２ｒ[ｆａｆβ]Ｔ(３)式中ꎬＴ２ｓ/２ｒ为Ｐａｒｋ变换的坐标变换矩阵ꎮ㊀㊀将两相转动座标ｄｑ转换成两相固定座标系统ꎬａβ的坐标转换ꎬ称为反向帕克转换ꎬ它可以用以下方式来表达:[ｆαｆβ]Ｔ＝Ｔ２ｒ/２ｓ[ｆｄｆｑ]Ｔ(４)式中ꎬＴ２ｒ/２ｓ为反Ｐａｒｋ变换的坐标变换矩阵ꎮ将三相静态座标系统ＡＢＣ转换为同步转动座标系统ｄｑꎬ每个变量之间的关系如下:[ｆｄｆｑｆ０]Ｔ＝Ｔ３ｓ/２ｒ[ｆＡｆＢｆＣ]Ｔ(５)式中ꎬＴ３ｓ/２ｒ为坐标变换矩阵ꎮ㊀㊀将两相转动座标系统ｄｑ转换为三相静态座标系ＡＢＣꎬ每个变量之间的关系如下:[ｆＡｆＢｆＣ]Ｔ＝Ｔ２ｒ/３ｓ[ｆｄｆｑｆ０]Ｔ(６)式中ꎬＴ２ｒ/３ｓ为坐标变换矩阵ꎮ㊀㊀(２)反电动势同步电机数学模型㊀㊀在三相静态座标系ＡＢＣ下ꎬ同步电动机定子侧三相绕组的电压方程式如下:ｕｓ＝Ｒｓｉｓ＋ｄψｓｄｔ＝Ｒｓｉｓ＋ｄψＬｓｄｔ＋ｄψｆｓｄｔ(７)㊀㊀定子电压方程式可由以下公式来表达:ｕｄ＝Ｒｉｄ＋Ｌｄｄｉｄｄｔ－ωｅＬｑｉｑ＋ｅｄｕｑ＝Ｒｉｑ＋Ｌｑｄｉｑｄｔ－ωｅＬｄｉｄ＋ｅｑìîíïïïï(８)利用电磁功率Ｐｅ及机械角速度ｗｍꎬ可求出永磁同步电动机的电磁力矩ꎬ其电磁力矩可由下列公式求出:Ｐｅ＝３２ＥＴｉｄｑ＝３２－ωｅＬｑｉｑ＋ｅｄωｅＬｄｉｄ＋ｅｑéëêêùûúúＴｉｄｑ(９)式(９)中的Ｅ为感应电动势ꎮ㊀㊀电磁转矩Ｔｅ与电磁功率Ｐｅ和机械角速度ｗｍ的关系如下:Ｔｅ＝Ｐｅωｍ(１０)３㊀电磁场有限元理论３.１㊀电磁场基本理论㊀㊀马斯韦尔方程是电－电－电磁场的基本原理ꎬ它包括阿帕尔回路定律㊁法拉达定律㊁高斯定律㊁磁通量连续性定律ꎮ㊀㊀(１)安珀环律:在磁场中ꎬ沿着封闭环Ｈ的直线积分等于通过积分通道所决定的表面的电流之和ꎬ对于表面积分ꎬ电流密度用以下公式表示:ɥΓＨｄｌ＝∬ΩＪ＋∂Ｄ∂ｔ()ｄＳ(１１)㊀㊀式中:Ｈ为磁场强度(Ａ/ｍ)ꎻＪ为传导电流密度矢量ꎮ㊀㊀(２)法拉达法则:磁场的改变与改变的磁场可以彼此产生ꎬ具体表示如下:ɥΓＥ⇀ ｄｌ⇀＝－∬Ω∂Ｂ⇀∂ｔｄＳ⇀(１２)式中ꎬＥ为电场强度(Ｖ/ｍ)ꎮ㊀㊀(３)高斯定律:在一个封闭的表面上ꎬ不管电介体和电通量的分布是怎样的ꎬ通过一个封闭的表面的电通量等于封闭表面所包含的电荷ꎬ即∯ＳＤ－ ｄＳ－＝∭ＶρｄＶ(１３)式中ꎬＤ为电位移(Ｃ/ｍ２)ꎻρ为电荷体密度(Ｃ/ｍ３)ꎻＶ为闭合曲面Ｓ所包围的三维区域ꎮ３.２㊀有限元建模㊀㊀有限元分析计算的具体步骤如图３所示ꎮ图３㊀计算流程图３.２.１㊀假设条件㊀㊀为使模拟模型的简化ꎬ在保证计算精度的前提下ꎬ进行如下简化:㊀㊀(１)电机的轴向是无穷大ꎬ把有关问题的求解转化为二维ＸＹ坐标系统ꎻ㊀㊀(２)定子铁心区的附加磁导是无限大的ꎻ㊀㊀(３)不考虑位移电流ꎮ３.２.２㊀建模与赋材料属性㊀㊀在上述假设条件下ꎬ所建模型如图４所示ꎮ图４㊀电机模型图㊀㊀在建立了电机的简化模型后ꎬ对模型的材质进行了分析ꎮ其中ꎬ定子㊁转子绕组㊁槽楔区㊁空隙段的相对磁导率为１ꎬ定子和转子铁心的材质为Ｌ８００＿６５ꎮ为了进一步提高数值模拟的准确性ꎬ在进行模型切割之前ꎬ先将空气间隙分为两个层次ꎮ３.２.３㊀网格剖分㊀㊀文中使用ＰＬＡＮＥ５３六结点三角形单元进行了网格的分割ꎮ由于气隙长度较短ꎬ网孔密度较大的区域主要集中在气隙区和齿槽区ꎬ其余部分则比较松散ꎮ３.２.４㊀边界条件㊀㊀在二维静止电磁场中ꎬ向量磁位ＡＺ的方程式:∂∂ｘ１μ∂Ａｚ∂ｘæèçöø÷＋∂∂ｙ１μ∂Ａｚ∂ｙæèçöø÷＝－Ｊｓ(１５)式中ꎬμ为相对磁导率ꎻＡｚ为矢量磁位ꎻＪｓ为外加的源电流密度ꎮ３.２.５㊀加载与求解㊀㊀负载电流的方向是:正向Ｚ轴是正的ꎬ逆向是负的ꎮ加载电流密度的定子导电区:Ｊ１＝２Ｎ１ＩＮａ１Ｓ１(１６)式中ꎬ Ｎ１为定子绕组每槽导体数ꎻＩＮ为定子额定电流ꎻａ１为定子绕组并联支路数ꎻＳ１为定子导体截面积ꎮ㊀㊀转子导电区加载的电流密度为:Ｊ２＝Ｎ２Ｉｆａ２Ｓ２(１７)式中ꎬＮ２为转子绕组每槽导体数ꎻＩｆ为励磁电流ꎻａ２为转子绕组并联支路数ꎻＳ２为转子导体截面积ꎮ３.２.６㊀后处理㊀㊀图５中显示了沿顺时针方向的空气间隙的轨迹图ꎬ它开始于Ａꎬ经过半个循环后抵达Ｂ点ꎮ图５㊀气隙路径㊀㊀在后处理过程中可以获得基波气隙磁通密度的幅值Ｂδꎬ每极磁通的最大值Φｍ为:Φｍ＝２πＢδＳτ(１８)式中ꎬΦｍ为每极磁通最大值ꎻＢδ为基波气隙磁通密度幅值ꎻＳτ为每极磁通面积ꎮ㊀㊀每相感应电动势Ｅ０为:Ｅ０＝２πｆＷ１ｋｄｐ１Φｍ(１９)式中ꎬｆ为频率ꎻＥ０为每相感应电动势ꎻＷ１为定子每相串联总匝数ꎻｋｄｐ１为定子线圈基波绕组因数ꎮ４㊀有限元电磁仿真分析４.１㊀定子㊁转子及阻尼建模过程㊀㊀此过程利用ＡＮＳＹＳＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＤｅｓｋｔｏｐ中搭建同步电机模型ꎬ于其中的ＲＭｘｐｒｔ模块可输入电机定子㊁转子尺寸数据快速建模ꎬ对建好的模型可仿真分析其具体性能参数ꎬ并将建好的模型一键导入ＭＡＸＷＥＬＬ中进行电磁分析ꎮ㊀㊀(１)定子图６㊀定子模型示意图㊀㊀(２)转子㊀㊀转子模型如图７所示ꎮ图７㊀转子模型４.２㊀仿真分析４.２.１㊀空载仿真分析㊀㊀采用有限元方法对同步电机的空载进行有限元分析ꎬ主要研究电机的定子㊁气隙的磁密㊁转子部分的磁密和磁力线的分布ꎬ并根据模拟的结果ꎬ对电机的基本性能有一个初步的认识ꎮ模拟同步电机在空载状态下ꎬ转子励磁部分的磁线分布是否合理以及计算额定转速下定子线圈所感应出的电枢电动势ꎮ运用Ｍａｘｗｅｌｌ软件进行分析ꎮ㊀㊀Ｍａｘｗｅｌｌ根据ＲＭｘｐｒｔ模块所建模型自动建立电磁分析模型及各空气域模型ꎬ同时根据ＲＭｘｐｒｔ模块中所计算的基本参数作为激励自动输入模型中ꎮ㊀㊀选择Ｍａｘｗｅｌｌ的计算模型为瞬态计算ꎬ将最外层空气域的边界设置为０向量边界ꎬ模拟实际边界条件ꎬ激励处将三相激励设置成数值为０的电流源模拟定子侧开路ꎮ４.２.２㊀电机负载电磁仿真分析㊀㊀考虑机械特性下同步电机的负载仿真分析即模拟真实状况下同步电动机的启动至稳定过程的电磁分析ꎮ㊀㊀图８为不同时间步下电机的磁场分布云图ꎬ仿真时间为０.２ｓꎬ每个时间步为０.０００２ｓꎬ共计算１０００次ꎮ观察同一时刻的电磁分布可以看出磁密分布随时间而变化ꎮ图８㊀电机磁密分布图㊀㊀图９是在无负载情况下ꎬ同步电动机的磁密度分布ꎬ从该图中可以看出ꎬ该电动机具有较好的磁密尺寸ꎬ其定子磁密约为１.５ꎬ并且在转子内㊁气隙区域具有较高的磁场强度ꎮ图９㊀电机磁密分布云图㊀㊀上述结果体现了转子添加转动惯量后ꎬ电机启动时电气参量会发生剧烈波动变化ꎮ图１０为电机转矩变化曲线ꎮ电机启动过程要经历一段剧烈波动的过程ꎬ其波动状况对比理想状态要剧烈的多ꎬ且趋于平稳的变化时间相对变长ꎮ考虑机械特性下电机的运动过程较为剧烈ꎬ原因在于ꎬ转动惯量的存在使电机启动过程中的机械转矩持续变化ꎬ导致定子电流随之变化从而产生大于机械转矩的电磁转矩使转子转速进一步上升ꎬ待转子转速上升一定值时ꎬ转动惯量作用下的机械转矩变化也趋于线性变化ꎬ使定子电流的变化趋于稳定ꎬ逐渐上升至额定状态ꎮ图１０㊀考虑机械特性下电机转矩变化曲线５㊀结论㊀㊀本文基于电磁场理论ꎬ根据有限元方程对同步电机的电磁场进行分析ꎬ推导出以麦克斯韦方程为基础的同步电机电磁场控制方程及边界条件ꎮ通过建立同步电机二维仿真模型ꎬ借助Ｍａｘｗｅｌｌ软件对所建模型进行稳态电磁仿真实验ꎬ分析电机的磁路走向㊁磁通密度和磁场强度ꎮ最后添加时间步进行瞬态电磁场仿真实验ꎬ仿真负载电机输出功率与转矩ꎬ分析电机在空载与负载状态下内部磁场的分布规律和变化规律ꎬ得出以下结论:㊀㊀空载状态下ꎬ电动机内部的磁场是由转子的励磁线圈产生的恒磁场ꎬ随着转子的转动而旋转ꎬ定子线上的感应电动势保持在电动机额定电压的范围之内ꎮ㊀㊀负载状态下ꎬ对电机在初速度为０下启动时进行仿真ꎮ由电磁分析结果得出ꎬ电机在真实条件下启动时转子转矩的变化情况ꎮ可通过添加机械特性的负载状态研究电机启动的效率和性能ꎮ参考文献[１]㊀马少丽ꎬ程普ꎬ刘慧敏.基于有限元法的车用永磁同步电机电磁场分析[Ｊ].科技风ꎬ２０２０ꎬ(３２):９３－９４.[２]㊀陈亮.高温高功率密度永磁同步电机设计及分析[Ｄ].浙江理工大学ꎬ２０２０.[３]㊀刘鹏.永磁同步电机的电磁－温度耦合及振动噪声分析研究[Ｄ].辽宁工业大学ꎬ２０２０.[４]㊀张勇.永磁同步电机多物理场及电磁参数优化研究[Ｄ].郑州轻工业大学ꎬ２０２０.[５]㊀刘鹏ꎬ张晶硕ꎬ刘儒ꎬ等.基于有限元法的永磁同步电机电磁场分析[Ｊ].汽车实用技术ꎬ２０１９ꎬ(１７):６６－６７.[６]㊀崔洪玮.偏心故障内置式永磁同步电机电磁场分析与诊断方法研究[Ｄ].哈尔滨工业大学ꎬ２０１９.[７]㊀邓佳慧.单相自起动永磁同步电机的电磁与振动分析[Ｄ].哈尔滨理工大学ꎬ２０１９.[８]㊀高尉.车用永磁同步电机电磁性能及其振动噪声分析[Ｄ].重庆交通大学ꎬ２０１９.[９]㊀范景华.永磁同步电机电磁干扰特性及建模方法研究[Ｄ].电子科技大学ꎬ２０１９.[１０]㊀彭程.低地板车用直驱永磁同步电机电磁场和温度场分析[Ｄ].北京交通大学ꎬ２０１８.收稿日期:２０２２－０６－２３。

Ansys2D静态仿真在永磁直驱电机设计中的实际运用发布时间：2021-12-22T03:56:12.758Z 来源：《中国电业》（发电）》2021年第15期作者：郑玉鑫王刚[导读] 永磁电机转子上永磁体形状和位置多种多样，磁场分布较为复杂，传统磁路分析方法不能满足设计需要。

东方电气集团东方电机有限公司中国德阳 618000摘要：永磁电机转子上永磁体形状和位置多种多样，磁场分布较为复杂，传统磁路分析方法不能满足设计需要。

采用Ansys软件通过FEA有限元分析（Finite Element Analysis），可以对永磁电机定转子磁场分布、力矩、应力、温度、噪音等要素进行网格化分析。

关键词：Ansys；永磁；有限元；仿真1 引言在工作中我们需要设计一台260kW、400V、180rpm永磁直驱电机，初步设计方案定子外径850、内径680，槽数72、双层集中绕组，1路Y接，每槽导体6，转子外径672、内径590、极数64，径向表崁式磁钢、永磁体材料钕铁硼N38SH、气隙长度4、铁芯长度240、磁钢高度18、宽度27。

在转子结构设计中，沿圆周分布的64个磁钢之间，关于磁力线分布情况、磁通密度、漏磁大小、隔磁条尺寸和位置等，采用传统电磁设计软件不能满足需要，本文通过这台内转子永磁电机作为具体案列的设计分析过程，论述Ansys2D静态仿真在永磁直驱电机转子磁钢结构设计中的实际运用。

2 2D建模2.1 在Ansys程序界面下，通过Project--Insert Maxwell 2D Design指令进入2D仿真项目管理；2.2 采用Draw--User Defined Primitive--Rmxprt指令，分别定义Slotcore定子铁芯，Lapcoil定子线圈、PMcore转子铁芯，Magnet转子磁钢.输入冲片槽型尺寸、线圈跨距及接法等设计要素。

3 添加边界3.1该电机为分数槽，定子槽数72减去极数64之后，得到分区数为8，于是，我们可以将360度缩减到1/8范围内进行分析，对建立的模型Model画圆圈Draw Circle,再选取vacuum下所有铁芯线圈磁钢，再点SPlit，YZ垂直方向分割后，再进行XZ水平分割，旋转角度45度再分割可得到我们需要的区域。

Maxwell 2D仿真基本步骤Maxwell 2D是一款广泛应用于电磁场仿真领域的工程仿真软件，它能够帮助工程师和科研人员快速准确地模拟和分析各种电磁场问题。

本文将介绍Maxwell 2D的基本步骤，希望对初学者和使用者有所帮助。

1. 准备工作在使用Maxwell 2D进行仿真前，首先需要进行一些准备工作。

包括安装Maxwell 2D软件、熟悉软件界面、了解软件的基本操作方法等。

另外，还需要准备好所需的仿真模型和材料参数等，这些都是进行仿真工作的基础。

2. 创建仿真模型在进行Maxwell 2D仿真之前，首先需要创建一个仿真模型。

这个模型可以是各种电磁场问题中的物理结构，比如电感器、电机、变压器等。

用户可以通过Maxwell 2D软件提供的建模工具来绘制模型的几何结构，也可以导入其他CAD软件中创建好的模型。

创建好仿真模型后，就可以开始设定仿真过程中的各种参数了。

3. 设置仿真参数在Maxwell 2D中，用户可以根据具体的仿真需求来设置各种参数。

可以设置电磁场的激励条件、材料参数、网格划分等。

这些参数的设置将直接影响到仿真结果的准确性和可靠性。

在设置参数时需要根据实际情况进行合理调整，以保证仿真结果的准确性。

4. 进行仿真计算设置好仿真参数后，就可以开始进行仿真计算了。

Maxwell 2D能够通过有限元法等数值方法对电磁场问题进行计算，得到电场分布、磁场分布等仿真结果。

在进行仿真计算的过程中，用户可以通过软件提供的仿真监控工具来实时监控仿真过程，以及对仿真结果进行分析和评估。

5. 分析仿真结果当仿真计算完成后，就可以对仿真结果进行分析了。

用户可以通过Maxwell 2D提供的后处理工具来对仿真结果进行可视化分析，比如绘制电场磁场分布图、计算电感、电阻等参数。

通过对仿真结果的分析，可以更深入地了解电磁场问题的特性和行为规律，为进一步的工程设计和科研工作提供参考。

6. 优化设计方案在对仿真结果进行分析的基础上，用户还可以进一步优化设计方案。