新能源汽车的核心电机问题：基于 Maxwell 的损耗、退磁与电磁力波全解析
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导读：新能源驱动电机正向高功率密度、高运行可靠性、低振动噪声方向升级，对仿真设计要求持续提升。本文基于Ansys Maxwell仿真平台，聚焦扁线绕组电磁损耗与谐波分析、永磁电机极端工况退磁可靠性、电机转矩脉动与电磁力波优化三大核心工程场景，系统拆解仿真原理、关键难点与实操方法，为新能源永磁同步电机的精细化设计与性能迭代提供可靠的工程参考。
目前我们已经把交流电机共同问题、交流绕组磁动势、同步电机的电磁关系、永磁体退磁仿真、扁线绕组计算、永磁磁场谐波分析、电枢磁场的谐波分析、电磁力波及转矩脉动理论分析这七大块内容，构建了一套Maxwell永磁同步电机仿真学习体系，配套的线下培训也已经上架仿真秀官网，详情见后文。
一、扁线电机仿真：90% 的误差，都出在铜耗计算上
在新能源汽车驱动电机极致化性能升级的趋势下，扁线绕组技术凭借槽满率高、端部尺寸小、散热性能优异的优势，全面替代传统圆线绕组，成为行业主流方案。该技术大幅提升了电机的功率密度与运行效率，也带来了全新的电磁设计难题，例如高频工况下的交流铜耗、复杂谐波特性等问题。如何使用Ansys Maxwell，来实现扁线电机性能的精准仿真评估，是每一个高阶电机工程师的必备能力。
图1 永磁扁线3D电磁模型建模
扁线电机采用矩形截面导线，在提升槽满率的同时，会产生显著的高频集肤效应（Skin Effect）与邻近效应（Proximity Effect）。交变电流运行时会集中于导体表面，大幅提升交流电阻与铜耗。若仿真中沿用传统绞线（Stranded）模型，会忽略该物理特性，造成铜耗、温升计算结果严重失真。因此扁线绕组仿真需采用固体（Solid）模型或专用导体损耗（Stranded Loss AC）模型，同时依据趋肤深度公式：
精准划分精细化网格，保证网格尺寸小于电流渗透深度。仿真前处理需精准定义绕组连接关系，避免仿真结果与实测偏差过大。
Ansys Maxwell针对扁线绕组高精度建模方案，高精度仿真需采用实体精细化建模，精准绘制单根扁线几何结构，规范绕组串并联支路设置。2D仿真效率更高，但无法计算端部漏感与涡流损耗，需结合经验公式或3D仿真修正。
图2 扁线绕组网格控制与剖分
电机内部气隙磁场并非标准正弦波，各类高次谐波是引发铁耗激增、转矩脉动与NVH问题的核心诱因，可通过Maxwell场计算器（Field Calculator）对气隙磁密开展傅里叶分解，实现谐波量化分析。在永磁磁场层面，充磁方式（平行充磁、径向充磁）、极弧系数、磁钢分段结构，均会影响气隙磁场波形，通过空载仿真提取磁密波形，结合磁极偏移、不等宽磁极设计，可有效削弱有害谐波，降低齿槽转矩。
电机带载运行时的电枢反应会产生畸变旋转磁场，定子开槽、绕组布局的非理想性会衍生大量电枢谐波，与永磁磁场耦合后产生高频径向电磁力波。在Maxwell中通过瞬态求解器结合二维傅里叶变换，可获取磁场时空谐波图谱，既能校验绕组设计的合理性，也能精准识别易引发结构共振的力波阶次，为电机NVH优化与性能迭代提供核心仿真依据。
图3 扁线界面电流密度分布云图
二、退磁仿真别瞎算：模型用错，样件报废都不知道为什么
永磁同步电机（PMSM）是新能源汽车的核心驱动部件，凭借高功率密度、高效率的优势被广泛应用，但其永磁体对温度高度敏感，存在不可逆退磁的固有缺陷。在高温、过载、短路等极端工况下，永磁体极易出现磁性能衰减，造成电机性能永久下降甚至彻底失效。因此，精准评估永磁同步电机的抗退磁能力，是电机可靠性设计的核心环节。
图4 主电路搭建
永磁体不可逆退磁的核心机制，是磁钢工作点跌落至B-H曲线膝点以下。高温环境会降低永磁材料矫顽力，短路故障产生的强去磁电枢磁场会大幅削弱磁钢工作磁密，当磁密低于临界阈值或磁场强度超出矫顽力极限时，磁畴结构将发生不可逆翻转。
图5 Id&Iq瞬态短路曲线
Maxwell退磁仿真的核心难点在于非线性特性拟合，传统仅设置剩磁、矫顽力的线性永磁模型无法模拟膝点退磁效应，必须导入与温度耦合的完整第二象限B-H退磁曲线（Demagnetization Curve）。同时，短路退磁多发生在电流峰值瞬态时刻，对求解器瞬态捕捉能力提出了严苛要求。
图6 退磁率分布云图
Maxwell高精度退磁仿真标准化工作流分为四大核心步骤：
精准材料定义：需依据厂家参数，为钕铁硼等永磁材料录入对应牌号的非线性退磁曲线，匹配不同工况温度参数，规避高温下膝点偏移引发的仿真误差。
极端工况搭建：通过搭建外部电路模型，模拟电机在极限工况下发生三相突然短路等极易引发退磁的故障场景，复现强去磁磁动势工况。
瞬态求解设置：选用瞬态场求解器，搭配小时间步长与自适应步长功能，精准捕捉短路电流峰值的恶劣退磁时刻。
结果判定：通过绘制永磁体磁密分布云图、退磁率分布云图，快速识别局部退磁区域。此外，还可以计算发生短路工况后的空载反电势，与发生之前的空载反电势进行比较，以其比值作为抗退磁能力的定量判断。
图7 退磁前后反电势对比
三、告别抖动与噪音：电机电磁转矩脉动与电磁力波仿真分析技术
现在用户对电车的静谧性要求越来越高，行业对驱动电机NVH（噪声、振动与声振粗糙度）性能要求愈发严苛，电机静音水平已成为评判电机设计优劣的关键指标。电机电磁噪声主要由两大因素引发，分别是转矩脉动导致的转速波动，以及径向电磁力激发的定子结构共振。
图8 给定极槽配合系电磁力波和转矩脉动成分分析表
先说说转矩脉动，转矩脉动是电机输出转矩随转子位置变化产生的周期性波动，永磁同步电机电磁转矩由永磁转矩与磁阻转矩共同构成。受齿槽效应、气隙磁场谐波、电流换相偏差等因素影响，电机实际输出转矩会叠加大量谐波分量，引发明显转矩波动。其中齿槽转矩是主要诱因之一，由定子齿槽与永磁磁场相互作用产生，与工作电流无关，其周期性规律与电机极槽配合紧密相关。此外，反电势波形畸变产生的高次谐波，也会在正弦电流驱动下加剧转矩脉动。在Maxwell中，可通过转子位置参数化扫描，分别计算空载齿槽转矩与负载工况总转矩，并依托转矩波动率公式：
完成量化分析，精准评估转矩脉动水平。
径向电磁力波是电机电磁噪声的直接来源，转矩脉动影响驾乘平顺性，但是电磁力波直接决定电机噪声表现。根据麦克斯韦应力张量法，气隙径向力密度
与径向气隙磁密
平方成正比，即：
即便磁密谐波幅值微弱，经平方运算后也会产生大量的高频力波分量。电磁力波具有固定的空间阶次（Mode）与时间频率，当力波阶次与定子固有模态阶次匹配、频率趋近结构固有频率时，便会触发共振，产生高强度噪声。所以力波分析需重点关注阶次与频率分布的特性。
图9 电磁力波二维傅里叶分析图
四、Maxwell永磁同步电机仿真分析培训【线下版】
综上所述，Ansys Maxwell可全方位解析扁线涡流损耗、磁场谐波、永磁退磁、转矩脉动与电磁力波等电机核心电磁特性，是电机高阶设计的关键工具。永磁退磁仿真涉及材料非线性、电路耦合与瞬态场的复杂联动，能够帮助工程师在设计阶段规避可靠性风险。熟练掌握该系列仿真技术，可精准优化电机效率与NVH性能，打造高效、平顺、静谧的驱动系统，从容应对新能源行业严苛的性能设计要求。
为帮助从业者系统掌握交流电机、同步电机仿真分析的方法，吃透交流绕组磁动势、永磁体退磁仿真、扁线绕组计算、磁场谐波分析、电磁力波及转矩脉动等核心模块，提升解决工程实际问题的能力。仿真秀联合平台优秀讲师-电机设计青年-于2026年8月21-23日，为大家带来为期3天的《Maxwell永磁同步电机仿真分析培训》线下培训，同时支持同步线上直播听课，欢迎大家报名学习！
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