建立Maxwell电机全变量尺寸参数化模型仿真能力从这里出发

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作者 | 电机设计青年仿真秀专栏作者

首发 | 仿真秀App

导读：随着高性能电机的设计理念越来越先进，电机的定子结构、电枢绕组结构、转子铁芯结构、永磁体结构或者是励磁绕组的结构也越来越多样，尤其对于新能源汽车驱动电机、航空航天起动发电机、工业伺服电机等应用领域，需要我们全方位研究电机各个尺寸参数对其电磁性能的影响，如对感应电势基波幅值和谐波分量的影响，对转矩平均值和转矩脉动的影响，对凸极率的影响，对低阶电磁力波的影响，对交直流铜耗比的影响，对永磁体涡流损耗和抗退磁能力的影响，对效率MAP的影响等，而电机的全变量尺寸参数化模型是实现全方位电磁研究的前提。

一、电机模型精细化设计初衷

基于电机电磁性能的最优设计需要，我制作了Maxwell全变量尺寸建模精讲视频课程。该课程内容主要在Maxwell 2D/3D环境下，利用其强大的点、线、面、体建模工具以及特征编辑功能来构建电机的全变量尺寸参数化模型，如基于平行齿结构的定子铁芯模型、基于非均匀气隙的转子铁芯模型、基于多层磁障的磁阻铁芯模型、基于六边形的空心杯绕组3D模型、基于V型夹角的多层内置式永磁同步电机模型、轴向磁通电机模型、如何对外部导入几何进行参数化建模等，从而实现对电机模型的精细化设计。

课程的最主要特点就是全变量尺寸参数化建模，只要电机的拓扑结构不变，改变相应尺寸变量的值就可以得到任意大小的模型，相当于创建了一个电机模板，可以对关键变量进行参数化分析和优化分析，因此全变量尺寸的参数化建模在电机设计中是非常有价值的！

二、参数化电机模型结构实例演示

课程包含了多种全变量尺寸的参数化电机模型，以余弦型非均匀气隙结构为例，即转子外圆按余弦规律变化，在D轴位置处气隙长度最小，在Q轴处气隙长度最大，余弦幅值决定了最大气隙与最小气隙的比值，可研究不同余弦幅值对齿槽转矩、空载反电势基波幅值及谐波含量、转矩脉动等电磁性能的影响。

设均匀气隙结构时气隙长度为变量gap，余弦幅值为变量A，则气隙长度δ可以表示为：

当cosθ=1时，有最大气隙长度δmax=gap 2A；当cosθ=-1时，有最小气隙长度δmin=gap；最大气隙与最小气隙的比值为δmax/δmin。

设电机的极对数为变量Poles，如图1所示，均匀气隙时转子外圆直径为ODR，余弦型非均匀气隙时的转子外圆直径为变量R，则R可表示为：

图1余弦型气隙结构示意图

Maxwell 2D中以方程曲线绘制余弦型非均匀气隙结构的转子外圆方程为：

设置如图2所示：

图2 Maxwell 2D中方程曲线设置

从而得到余弦型转子外圆曲线，经过生成面域操作，便得到面域模型，如图3所示。

图3 余弦型转子外圆面域

均匀气隙结构的转子结构如图4所示，将该模型与图3所示的面域进行相交操作，便得余弦型非均匀气隙结构的转子结构模型，如图5所示。

图4 均匀转子结构

图5 余弦型非均匀气隙转子结构

至此，余弦型非均匀气隙结构的参数化模型就绘制完成，改变余弦幅值变量A的值，可以得到不同的转子结构。在Maxwell 2D中可以对变量A进行参数化分析，可以得到齿槽转矩、空载反电势基波幅值及谐波含量、转矩脉动等电磁性能随变量A的变化曲线。对变量A进行优化分析，可以得到电磁性能的最优值。

图6 不同余弦幅值下转子结构

以下内容来自我的精品课《Maxwell全变量尺寸建模精品课42讲》的第二十八讲视频教程内容，希望对大家有所启发。

图7为前几次课绘制的8p48s槽永磁（磁阻）同步电机全电磁模型，由于只在横向的的磁钢槽内放置永磁体，在一个磁回路中由一对极的永磁体提供磁动势，而每极气隙磁通由一个极下的永磁体提供，属于串联式磁路结构。

图7串联式磁路结构

图8所示模型本次课主要内容：绘制两侧空气槽内永磁体参数化模型，在一个磁回路中由一个极的永磁体提供磁动势，而每极气隙磁通由一对极下的永磁体并联提供，属于并联式磁路结构。

永磁体放置在两侧空气槽内，其基本形状为矩形，如图9所示，长度PM_W和高度PM_H可以与空气槽的尺寸相关联，并跟随空气槽的变化而变化；也可以不与之关联，永磁体长度PM_W和高度PM_H为独立变量，但其最大尺寸不得超过空气槽尺寸。

图8 并联式磁路结构

图9 永磁体参数

如果在横向磁钢槽和两侧空气槽内均放置永磁体，如图10所示，则可构成串并联混合式磁路结构。

图10串并联混合式磁路结构

三、建立电机全变量尺寸参数化模型仿真能力

2022年6月，我在仿真秀平台原创精品课《Maxwell全变量尺寸建模精品课42讲》让你找到电机电磁性能的最优设计。旨在帮助电机电磁设计工程师、在校老师、本科/研究生和电机从业人员建立建立电机全变量尺寸参数化模型仿真能力。推荐大家订阅学习和我进一步技术交流。

以下是我的课程安排

本课程主要Maxwell 2D/3D环境下，利用其强大的点、线、面、体建模工具以及特征编辑功能来构建电机的全变量尺寸参数化模型，从而实现电机性能的精细化设计，本课程为订阅用户提供知识圈答疑和**流服务。

1、用户得到

提升在Maxwell 2D/3D建立电机全变量尺寸参数化模型的能力，掌握建模思路和技巧；
通过电机全变量尺寸参数化模型，便于对各个尺寸进行参数分析和优化分析，找到设计变量和设计目标之间的内在关系，实现电机的最优设计；
对外部导入模型进行参数化处理，从而实现参数化分析；
提供课程相关学习资料和模型下载，开具电子发票、为订阅用户提供答疑专栏服务和用户交流群，进群请联系仿真秀任意小助手。

2、适合哪些人学习

电机电磁设计工程师；
在校老师、本科/研究生；
电机从业人员；

3、讲师介绍

电机设计青年老师，现就职于某动力科技有限公司，所在团队为国内、海外知名品牌汽车公司提供驱动动力系统，驱动电机涵盖径向式/轴向式、内/外转子、轮毂/轮边式类型，冷却系统涵盖风冷、水冷、油冷方式，广泛应用于新能源汽车、航空、医疗器械等行业。

在多年工作中，积累了丰富的工作实践经验。熟练掌握ANSYS Maxwell/RMxprt等软件使用技巧，掌握航空起动发电机、新能源汽车驱动电机、工业伺服电机/空心杯电机的设计技术。在与国际业主技术交流、与竞争对手的同台竞技中，掌握了大量最新的第一手前沿资料，时刻保持设计理论精深、设计方法领先、设计手段先进的设计风格。

（完）

作者：电机设计青年 仿真秀专栏作者

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