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高性能永磁电机设计和制造之ANSYS Maxwell 2D求解齿

高性能永磁电机设计和制造之ANSYS Maxwell 2D求解齿槽转矩的方法
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 2D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。

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图1 算例重命名

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。

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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。

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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”的扫描范围为线性步长[0 deg ,20 deg],步长0.2 deg,如图4所示。

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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。

因为实验电机的轴向长度为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。

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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。

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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。

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。

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图7 旋转定子

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。

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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。

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图9 齿槽转矩调用界面

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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。

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 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。

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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

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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

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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14所示。

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图14 1周期瞬态场齿槽转矩仿真结果

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。

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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。

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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。

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图17 静磁场和瞬态场仿真结果对比

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。

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