ANSYS Maxwell 2D求解齿槽转矩的几种方法

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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需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。Maxwell2D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R17.2RMxprt中的自带案例4极24槽“assm-1〞为模板，介绍3种方法。开启该案例后，首先将系统中的案例另存到工作目录下，然后在DesignSettings中设置“Fractions1〞，计算并生成Maxwell2D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，依照图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“0deg〞，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%，最终在“Optimetrics〞中设置变量“my_ang〞的扫描范围为线性步长[0deg,20deg]，步长0.2deg，如图4所示。

图4Optimetrics扫描范围设置

设置完成后即可求解，求解完成后依照图5的设置，查看静磁场分析报告。由于本电机的轴向长度为65mm，而Maxwell2DXY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参与“/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。

而实际工程中往往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

开启“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“0deg〞，如图7所示。

图7旋转定子

依照算例“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8Optimetrics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

开启瞬态场算例“3_Cogging_Torque_TR_2Period〞，首先修改模型转速为“1deg_per_sec〞，初始角修改为“-20deg〞，然后在网格划分中设置合理划分规则，再将“Excitations〞删除（右键DeleteAll），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122周期瞬态场齿槽转矩仿真结果

单周期仿真

开启瞬态场算例“4_Cogging_Torque_TR_1Period〞，设置初始角为“0deg〞，转速为“1deg_per_sec〞，求解设置如图13所示

图131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。

图141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一致，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OptimetricsLicense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别处理。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个周期的计算结果一致；另外测试过，转速1deg/sec和1min/sec的计算