1、ANSYS Maxwell 2D 求解齿槽转矩的几种方法齿槽转矩是永磁电机特有的问题之一，是高性能永磁电机设计和制造中必须考虑和解决的关键问题。其表现是当永磁电机绕组不通电时，永磁体和定子铁芯之间相互作用产生的转矩，它是永磁体与电枢齿之间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电机电磁方案的齿槽转矩，且方法较多。本文以 R17.2 RMxprt 中的自带案例 4 极 24 槽“assm-1”为模板，介绍 3 种方法。打开该案例后，首先将系统中的案例另存到工作目录下，然后在 DesignSettings中设置“Fractions 1”，计算并生成 Maxwell 2
2、D 瞬态场算例。复制该算例，将新算例修改为静磁场算例，并分别再复制一次静磁场和瞬态场算例，删除 RMxprt算例，按照图 1 重命名各个算例。图 1 算例重命名1 静磁场扫描转子旋转角度首先选中转子轭和 4 个永磁体，做旋转操作，在弹出窗口中设置旋转角度为变量“my_ang”，并定义变量初始值为“0 deg”，如图 2 所示。图 2 旋转转子然后选中模型“Band”，在“Parameters” 中定义求解转矩，如图 3 所示。图 3 定以转矩求解在“Analysis”中添加 1 个“Setup”，设置迭代精度误差为 0.1%，最后在“Optimetrics”中设置变量“my_ang”的扫描范围
3、为线性步长0 deg ,20 deg，步长 0.2 deg，如图 4 所示。图 4 Optimetrics 扫描范围设置设置完成后即可求解，求解完成后按照图 5 的设置，查看静磁场分析报告。因为本电机的轴向长度为 65mm，而 Maxwell 2D XY 平面静磁场求解的对象默认长度为1m，因此需要在求解结果中加入“/1000*65”的运算。图 5 结果调用界面重命名该结果报告为“Cogging_ Torque”，齿槽转矩结果如图 6 所示。图 6 扫描转子旋转角度所得齿槽转矩曲线值得注意的是，RMxprt 一键有限元生成的表贴式永磁体充磁方向为径向充磁，其充磁方向由极坐标定义，即 N 极充磁
4、方向为 R 的正方向，S 极充磁方向为 R 的负方向，参考坐标系为“Global”坐标。而实际工程中常常会遇到平行充磁的电机，对于平行充磁最常用的处理方式是建立参考坐标系，永磁体的充磁方向参考特定参考坐标系的 X 轴正方向。而在上述操作中，参考坐标系无法跟随转子旋转，使用本方法分析平行充磁时的结果将是错误的，因此可以利用第 2 种方法分析齿槽转矩。2 静磁场扫描定子旋转角度打开“2_Cogging_Torque_MS_Stator”算例，首先选择“Stator”和所有的线圈，做旋转操作，设置旋转角度为变量“my_Stator_ang”，变量初始值为“0 deg”，如图 7 所示。图 7 旋转定
5、子按照算例“1_Cogging_Torque_MS_Rotor”的方法设置“Torque1”和“Setup1”，在“Optimetrics”中设置图 8 所示扫描范围。图 8 Optimetrics 扫描范围设置求解完成后查看齿槽转矩结果，如图 9、10 所示。图 9 齿槽转矩调用界面图 10 扫描转子旋转角度所得齿槽转矩曲线本方法中，永磁体不旋转，因此充磁方向不改变，分析结果对于任意方式定义的充磁方向均有效。3 瞬态场求解空载低速旋转转矩多周期仿真打开瞬态场算例“3_Cogging_Torque_TR_2Period”，首先修改模型转速为“1 deg_per_sec”，初始角修改为“-20
6、deg”，然后在网格划分中设置合理划分规则，再将“Excitations”删除（右键 Delete All），将求解设置修改为图 11 所示。图 11 求解设置本算例中求解 2 个以上周期，在前面一半时间以“1s”为仿真步长，快速达到稳定；后面一半时间以“0.2s”为仿真步长，得到较高精度。结果如图 12 所示图 12 2 周期瞬态场齿槽转矩仿真结果单周期仿真打开瞬态场算例“4_Cogging_Torque_TR_1Period”，设置初始角为“0 deg”，转速为“1deg_per_sec”，求解设置如图 13 所示图 13 1 周期求解设置本算例求解时长包含 1 个齿槽转矩周期，结果如图
7、14 所示。图 14 1 周期瞬态场齿槽转矩仿真结果4 结果分析静磁场仿真结果对比将静磁场仿真结果导出，并做简单的数据编辑后，导入到同一个结果窗口下，如图 15 所示，二者结果吻合度较高。图 15 静磁场仿真结果对比瞬态场仿真结果对比将瞬态场仿真结果导出，并做简单的数据编辑后，导入到同一个结果窗口下，如图 16 所示，2 条曲线完全重合。图 16 瞬态场仿真结果对比静磁场和瞬态场仿真结果对比将 4 个仿真结果完全导入到同一个结果窗口，瞬态场和静磁场结果趋势基本相同，有较小误差。图 17 静磁场和瞬态场仿真结果对比5 总结在上述的静磁场计算中，每一步计算都要重新迭代网格，速度较慢，并且需要Optimetrics License 支持。静磁场求解的对象模型默认长度是 1m，在后处理中需要做特殊处理。平行充磁和径向充磁需要区别对待。而瞬态场的 1 个周期和 2 个周期的计算结果相同；另外测试过，转速 1deg/sec和 1min/sec 的计算结果相同；计算中网格只需要划分一次，且不需要Optimetrics License 支持。结果对比时将结果文件导出为 csv 文件，修改题头和数值单位，并导入到一个结果显示窗口中，直接对比。图 18 导出文件
