ANSYS Maxwell 2D求解齒槽轉(zhuǎn)矩的幾種方法

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齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)特有的問題之一，是高性能永磁電機(jī)設(shè)計(jì)和制造中必需考慮和解決的關(guān)鍵問題。其表現(xiàn)是當(dāng)永磁電機(jī)繞組不通電時(shí)，永磁體和定子鐵芯之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，它是永磁體與電樞齒之間相互作用力的切向分量引起的。Maxwell2D可以有效仿真得出永磁電機(jī)電磁方案的齒槽轉(zhuǎn)矩，且方法較多。本文以R17.2RMxprt中的自帶案例4極24槽“assm-1〞為模板，介紹3種方法。開啟該案例后，首先將系統(tǒng)中的案例另存到工作目錄下，然后在DesignSettings中設(shè)置“Fractions1〞，計(jì)算并生成Maxwell2D瞬態(tài)場算例。復(fù)制該算例，將新算例修改為靜磁場算例，并分別再復(fù)制一次靜磁場和瞬態(tài)場算例，刪除RMxprt算例，依照圖1重命名各個(gè)算例。

圖1算例重命名

1靜磁場掃描轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度

首先選中轉(zhuǎn)子軛和4個(gè)永磁體，做旋轉(zhuǎn)操作，在彈出窗口中設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度為變量“my_ang〞，并定義變量初始值為“0deg〞，如圖2所示。

圖2旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子

然后選中模型“Band〞，在“Parameters〞中定義求解轉(zhuǎn)矩，如圖3所示。

圖3定以轉(zhuǎn)矩求解

在“Analysis〞中添加1個(gè)“Setup〞，設(shè)置迭代精度誤差為0.1%，最終在“Optimetrics〞中設(shè)置變量“my_ang〞的掃描范圍為線性步長[0deg,20deg]，步長0.2deg，如圖4所示。

圖4Optimetrics掃描范圍設(shè)置

設(shè)置完成后即可求解，求解完成后依照圖5的設(shè)置，查看靜磁場分析報(bào)告。由于本電機(jī)的軸向長度為65mm，而Maxwell2DXY平面靜磁場求解的對象默認(rèn)長度為1m，因此需要在求解結(jié)果中參與“/1000*65〞的運(yùn)算。

圖5結(jié)果調(diào)用界面

重命名該結(jié)果報(bào)告為“Cogging_Torque〞，齒槽轉(zhuǎn)矩結(jié)果如圖6所示。

圖6掃描轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度所得齒槽轉(zhuǎn)矩曲線

值得注意的是，RMxprt一鍵有限元生成的表貼式永磁體充磁方向?yàn)閺较虺浯?，其充磁方向由極坐標(biāo)定義，即N極充磁方向?yàn)镽的正方向，S極充磁方向?yàn)镽的負(fù)方向，參考坐標(biāo)系為“Global〞坐標(biāo)。

而實(shí)際工程中往往會遇到平行充磁的電機(jī)，對于平行充磁最常用的處理方式是建立參考坐標(biāo)系，永磁體的充磁方向參考特定參考坐標(biāo)系的X軸正方向。而在上述操作中，參考坐標(biāo)系無法跟隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使用本方法分析平行充磁時(shí)的結(jié)果將是錯(cuò)誤的，因此可以利用第2種方法分析齒槽轉(zhuǎn)矩。2靜磁場掃描定子旋轉(zhuǎn)角度

開啟“2_Cogging_Torque_MS_Stator〞算例，首先選擇“Stator〞和所有的線圈，做旋轉(zhuǎn)操作，設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度為變量“my_Stator_ang〞，變量初始值為“0deg〞，如圖7所示。

圖7旋轉(zhuǎn)定子

依照算例“1_Cogging_Torque_MS_Rotor〞的方法設(shè)置“Torque1〞和“Setup1〞，在“Optimetrics〞中設(shè)置圖8所示掃描范圍。

圖8Optimetrics掃描范圍設(shè)置

求解完成后查看齒槽轉(zhuǎn)矩結(jié)果，如圖9、10所示。

圖9齒槽轉(zhuǎn)矩調(diào)用界面

圖10掃描轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度所得齒槽轉(zhuǎn)矩曲線

本方法中，永磁體不旋轉(zhuǎn)，因此充磁方向不改變，分析結(jié)果對于任意方式定義的充磁方向均有效。

3瞬態(tài)場求解空載低速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩多周期仿真

開啟瞬態(tài)場算例“3_Cogging_Torque_TR_2Period〞，首先修改模型轉(zhuǎn)速為“1deg_per_sec〞，初始角修改為“-20deg〞，然后在網(wǎng)格劃分中設(shè)置合理劃分規(guī)則，再將“Excitations〞刪除（右鍵DeleteAll），將求解設(shè)置修改為圖11所示。

圖11求解設(shè)置

本算例中求解2個(gè)以上周期，在前面一半時(shí)間以“1s〞為仿真步長，快速達(dá)到穩(wěn)定；后面一半時(shí)間以“0.2s〞為仿真步長，得到較高精度。結(jié)果如圖12所示

圖122周期瞬態(tài)場齒槽轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

單周期仿真

開啟瞬態(tài)場算例“4_Cogging_Torque_TR_1Period〞，設(shè)置初始角為“0deg〞，轉(zhuǎn)速為“1deg_per_sec〞，求解設(shè)置如圖13所示

圖131周期求解設(shè)置

本算例求解時(shí)長包含1個(gè)齒槽轉(zhuǎn)矩周期，結(jié)果如圖14所示。

圖141周期瞬態(tài)場齒槽轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

4結(jié)果分析靜磁場仿真結(jié)果對比

將靜磁場仿真結(jié)果導(dǎo)出，并做簡單的數(shù)據(jù)編輯后，導(dǎo)入到同一個(gè)結(jié)果窗口下，如圖15所示，二者結(jié)果吻合度較高。

圖15靜磁場仿真結(jié)果對比

瞬態(tài)場仿真結(jié)果對比

將瞬態(tài)場仿真結(jié)果導(dǎo)出，并做簡單的數(shù)據(jù)編輯后，導(dǎo)入到同一個(gè)結(jié)果窗口下，如圖16所示，2條曲線完全重合。

圖16瞬態(tài)場仿真結(jié)果對比

靜磁場和瞬態(tài)場仿真結(jié)果對比

將4個(gè)仿真結(jié)果完全導(dǎo)入到同一個(gè)結(jié)果窗口，瞬態(tài)場和靜磁場結(jié)果趨勢基本一致，有較小誤差。

圖17靜磁場和瞬態(tài)場仿真結(jié)果對比

5總結(jié)

在上述的靜磁場計(jì)算中，每一步計(jì)算都要重新迭代網(wǎng)格，速度較慢，并且需要OptimetricsLicense支持。靜磁場求解的對象模型默認(rèn)長度是1m，在后處理中需要做特別處理。平行充磁和徑向充磁需要區(qū)別對待。

而瞬態(tài)場的1個(gè)周期和2個(gè)周期的計(jì)算結(jié)果一致；另外測試過，轉(zhuǎn)速1deg/sec和1min/sec的計(jì)算