求解技巧 | 永磁电机的电磁仿真常见问题
白增程
沈阳安世亚太公司
本文以永磁电机为例，简单介绍了Maxwell如何快速计算电机仿真中比较关心的问题和参数。Maxwell自带的一些功能插件大大减少了用户处理数据的难度和时间，方便了用户的使用，减小了产品研发的周期，使得电机设计的效率在一定程度上得到提升。
在电磁，电气，热和机械极限运行条件下进行设计，满足变化的性能需求；
电机通常在较宽的转矩-速度范围内运行；
日益激烈的竞争需要更短的开发周期；
实现高度优化的设计方案；
效率高、转速范围宽、体积小、重量轻、功率密度大、噪声低、成本低。
兼顾磁路法的理论深度和有限元法的高精度，提供专业的前、后处理功能；
电磁和热的耦合分析必须快速高效以满足产品研发周期的需求；
电机机械强度的分析需要在电磁设计阶段同时进行，以减少设计迭代；
集成控制算法，在全运行范围内实现电磁-热-机械快速耦合计算。
本文以一台永磁电机为例，重点描述永磁电机设计中比较关注的技术问题和解决方案。用简单明了的语言和精简关键的图片展示关注问题解决步骤和结果。
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齿槽转矩
齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和定子铁心之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的。齿槽转矩会使电机产生振动和噪声，出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能。在变速驱动中，当转矩脉动频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。所以做永磁电机研发的工程师希望把自己做的电机的齿槽转矩降到最小，使用永磁电机的工程师则希望了解手上这台电机的齿槽转矩，从而去优化他的控制算法。
有限元法计算齿槽转矩时，气隙的网格质量对齿槽转矩的计算影响很大，为了得到较为准确的齿槽转矩数值，可以对气隙做多层剖分，如下图所示，该电机为8极48槽，转子是V&“一”槽形。为了节省计算时间，加快求解速度，以一个极进行计算。在计算齿槽转矩时，可以在气隙部分添加为3层，分别命名为为band_inner,band,band_outer。
图1
同时设置band的旋转速度为1deg_sec，由于计算一个齿距下的齿槽转矩的变化，故设置的求解时间为7.5s。具体如下：
图2
计算完成后电机不斜极的齿槽转矩如下图3所示：在一个齿距的范围内为为一个周期变化。实际设计中，电机的转子是斜极两段，斜极的度数为3.75。实际上整体的电机齿槽转矩如图4所示。从图3和图4可以看采取斜极的措施后，电机的齿槽转矩也确实降低了，有利于电机运行的平稳。
图3
图4
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磁钢的涡流损耗
永磁电机的转子里嵌着磁钢，由于穿过磁钢的磁链在转子转动过程中发生变化，自然会在磁钢内部产生涡流，进而产生涡流损耗，为了减小磁钢的涡流损耗，通常在轴向和径向方向将磁钢进行分段处理。为了精确计算分段后的磁钢损耗，Maxwell提供了两种不同的计算方法来求解涡流损耗。
图5
选中四个磁钢面，添加0电流激励。如图6分别输入电流的名称，数值的大小以及导体的类型。
图6
分别给4个磁钢都施加0电流激励，则最后如图7所示。
图7
点击求解计算后，可以看到磁钢的损耗为5.69W。
图8
2) 直接选择计算
如图9所示，在“Excitations”下选择“Set EddyEffects”在弹出框中选择要计算的四块磁钢。
图9
求解完毕后，磁钢的涡流损耗如图10所示。可以发现直接选择计算磁钢的涡流损耗与加载0电流情况下磁钢的损耗数值很相近。所以二者取其一即可。
图10
针对永磁电机的调速控制，通常喜欢将电机的所有数据变换成dq轴坐标系下的对应数据，建立一个同步旋转的正交坐标系。电机所有交流变量都可以在这个坐标系中转化为直流量并投影于d、q两个轴上。对两个轴上的分量的分别控制，就控制了这个变量，实现了这个变量的解耦控制。
Maxwell根据用户的关心问题，开发了可以直接生成dq轴下的数据报告。方便电机设计人员的数据后处理，大大减小了电机设计的周期，提高了电机设计的效率。
当电机模型仿真计算完成后，直接右击“Results”后，在弹出的“Create Transient Report”中选择“Rectangular plot”，如图11所示。而后在弹出的图12中，“Domain”选择“TransientD-Q”。
图11
图12
点击“Machine Options”,在弹出的图框（图13）中按照电机的极数和对齐电角度以及绕组方向进行设置。最后在图12的“Quantity”下选择下求解的数据，得到相应的结果。
图13
图14
图15
图16
当电机仿真完成后需要对电机的整体性能有个详细的判断。基于这些需求，Maxwell开发了相应的快捷计算功能插件。如图11，直接右击“Results”后，在弹出的“Create Transient Report”中选择“Rectangular plot”。而后在弹出的图框（图17）中，“Domain”选择“Averageand RMS”。而后点击“Machine Options”。在弹出的图框（图18）中填入相应的数据。
图17
图18
由于重点关注的是电机的整体性能表现，这里以电机的输入输出功率、效率以及功率因数为例，如图19，选中要求解的数据，点击求解，求解后的结果如图20所示。
图19
图20
图20中展示了电机的输入功率为101.5kW，输出功率为90.8kW，功率因数为0.817，效率是95.3%。
