【CN109858123A】基于Python和Maxwell的永磁球形电机三维电磁转矩自动化分析方法

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910058345.5
(22)申请日 2019.01.22
(71)申请人 安徽大学
地址 230601 安徽省合肥市经济技术开发
区九龙路111号
(72)发明人 李国丽　文彦　王群京　过希文　
漆星　
(74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责
任公司 11251
代理人 安丽　成金玉
(51)Int.Cl.
G06F 17/50(2006.01)
G06T 17/00(2006.01)
(54)发明名称
基于Python和Maxwell的永磁球形电机三维
电磁转矩自动化分析方法
(57)摘要
本发明提供了一种基于Python和Maxwell的
永磁球形电机三维电磁转矩自动化分析方法，采
用Maxwell建立完整的永磁球形电机三维模型，
并添加仿真参数、激励参数和计算参数。

采用基
于python语言的脚本程序实现对仿真过程的自
动化控制，所述基于python语言的脚本程序包括
初始化模块、循环模块、仿真参数数值产生模块、
仿真参数设置模块、仿真计算模块、仿真结果报
告生成与导出模块。

该永磁球形电机电磁转矩自
动化求取方法采用基于python语言的脚本程序
从外部控制Maxwell仿真进程，自动修改永磁球
形电机仿真参数并获取电磁转矩仿真数据，提高
了仿真计算的灵活性，并节省了大量人工成本和
时间成本。

权利要求书1页 说明书4页 附图2页CN 109858123 A 2019.06.07
C N 109858123
A
1.一种基于Python和Maxwell的永磁球形电机三维电磁转矩自动化分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据永磁球形电机机械结构，在Maxwell中定义合适的形状、材料、结构，建立完整的永磁球形电机三维模型，其中包括定子球壳、转子球铁芯、输出轴、永磁体、电磁线圈部件；
步骤S2：将转子球铁芯、所有永磁体和输出轴视为转子体，在所述转子体的赤道面上构建一个辅助面并以该辅助面为基准定义辅助面局部坐标系，在该辅助面局部坐标系下在转子体上设置电磁转矩作为计算值；
步骤S3：根据实际要求，在线圈上添加激励电流，并设置初始激励电流的大小和方向；步骤S4：根据实际要求，在转子体上设置三个转角变量，所述转角变量分别绕全局坐标系的X轴、Y轴、Z轴转动；
步骤S5：根据实际要求，编写基于python语言的脚本程序，实现自动调整激励电流、转角变量仿真参数并运行仿真计算电磁转矩的功能，并保存每一次改变后的仿真计算结果。

2.根据权利要求1所述的基于Python和Maxwell的永磁球形电机三维电磁转矩自动化分析方法，其特征在于，所述基于python语言的脚本程序包括初始化模块、仿真参数数值产生模块、仿真参数设置模块、仿真计算模块、仿真结果报告生成与导出模块。

权　利　要　求　书1/1页CN 109858123 A
基于Python和Maxwell的永磁球形电机三维电磁转矩自动化
分析方法
技术领域
[0001]本发明涉及永磁球形电机控制系统的技术领域，具体涉及一种基于Python和Maxwell的永磁球形电机三维电磁转矩自动化分析方法。

背景技术
[0002]随着工业制造业的快速发展以及人力成本的急剧上升，机器人、机械臂、全景摄像头等可以在多维空间内实现高精密伺服运动装置得到了广泛需要和应用。

为了实现多自由度运动通常采用多台单自由度电机结合机械传动机构相互配合，导致系统体积和重量增加、机械可靠性降低、动态性能较差。

因此，国内外的研究学者提出了一种可实现多自由度运动的球形电机，其中永磁球形电机以其结构简单、体积小、重量轻等优点受到较多关注。

[0003]永磁球形电机控制系统包括运动学建模、电磁转矩建模、位置检测和运动控制，其中电磁转矩分析是永磁球形电机电磁转矩建模中不可缺少的部分。

由于永磁球形电机特殊的三维球结构和永磁体排布，无法采用常规电机的电磁转矩分析方法。

针对永磁球形电机，通常采用的分析方法有三种：其一，先在Maxwell等电磁分析仿真软件中建立单一永磁体和线圈模型，进行单维电磁转矩分析，再根据空间结构关系推算整机三维电磁转矩；其二，采用磁路法、等效磁网络等磁场简化分析方法，对单一永磁体和线圈模型进行单维电磁转矩分析，再根据空间结构关系推算整机三维电磁转矩；其三，在Maxwell等电磁仿真软件中建立完整的永磁球形电机，设置仿真参数进行三维电磁转矩分析。

但是，上述建模方法有如下缺陷：
[0004]与本发明相关的现有技术，其一，先在Maxwell等电磁分析仿真软件中建立单一永磁体和线圈模型，进行单维电磁转矩分析，再根据空间结构关系推算整机三维电磁转矩；其二，采用磁路法、等效磁网络等简磁场化计算方法，对单一永磁体和线圈模型进行单维电磁转矩分析，再根据空间结构关系推算整机三维电磁转矩；其三，在Maxwell等电磁分析仿真软件中建立完整的永磁球形电机，设置仿真参数进行三维电磁转矩分析。

现有技术的缺点：1)采用由单一永磁体和线圈模型推算到整机的方式，对永磁体和线圈的形状、充磁方式有一定要求，并不能适用于所有特殊结构的球形电机；2)采用磁路法、等效磁网络法等磁场简化计算方法虽效率较高，但很难精确描述磁场分布情况，并且缺乏灵活性；3)在Maxwell等基于有限元得电磁分析仿真软件中建立完整的永磁球形电机进行电磁仿真分析，可以满足精度要求。

但计算负担较重，且设置仿真参数的变化规律较死板。

在分析仿真参数非规律变化的三维电磁转矩时效率较低，灵活性较低，耗时耗力。

发明内容
[0005]本发明的目的在于：提供了一种基于Python和Maxwell的永磁球形电机三维电磁转矩自动化分析方法，采用基于有限元的Maxwell电磁分析仿真软件建立完整的永磁球形电机模型，保证了电磁分析精度。

在此基础上采用基于python语言的脚本程序控制Maxwell
中仿真进程，自动化控制仿真参数变化，实现永磁球形电机电磁转矩的自动化分析。

[0006]本发明采用的技术方案为：一种基于Python和Maxwell的永磁球形电机三维电磁转矩自动化分析方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1：根据永磁球形电机机械结构，在Maxwell中定义合适的形状、材料、结构，建立完整的永磁球形电机三维模型，其中包括定子球壳、转子球铁芯、输出轴、永磁体、电磁线圈部件；
[0008]步骤S2：将转子球铁芯、所有永磁体和输出轴视为转子体，在所述转子体的赤道面上构建一个辅助面并以该辅助面为基准定义辅助面局部坐标系，在该辅助面局部坐标系下在转子体上设置电磁转矩作为计算值；
[0009]步骤S3：根据实际要求，在线圈上添加激励电流，并设置初始激励电流的大小和方向；
[0010]步骤S4：根据实际要求，在转子体上设置三个转角变量，所述转角变量分别绕全局坐标系的X轴、Y轴、Z轴转动；
[0011]步骤S5：根据实际要求，编写基于python语言的脚本程序，实现自动调整激励电流、转角变量仿真参数并运行仿真计算电磁转矩的功能，并保存每一次改变后的仿真计算结果。

[0012]其中，所述基于python语言的脚本程序包括初始化模块、仿真参数数值产生模块、仿真参数设置模块、仿真计算模块、仿真结果报告生成与导出模块。

[0013]本发明与现有技术相比的优点在于：
[0014] 1.该永磁球形电机电磁转矩自动化求取方法采用基于python语言的脚本程序从外部控制Maxwell仿真进程，自动修改永磁球形电机仿真参数并获取电磁转矩仿真数据，提高了仿真计算的灵活性，并节省了大量人工成本和时间成本。

[0015] 2.该方法实现方法简单，基于python语言的脚本程序中各模块条理清晰，易于研究人员调试、维护和再开发。

附图说明
[0016]图1为实施例仿真分析具体流程图；
[0017]图2为实施例永磁球形电机机械结构剖面图；
[0018]图3为实施例在Maxwell中建立的永磁球形电机三维模型图。

具体实施方式
[0019]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

[0020]本实施例采用的是永磁球形电机来源于一台三自由度永磁球形电机样机。

它由一个球形转子、球壳状的定子和转子输出轴组成，其中圆柱形永磁体分为四层均匀镶嵌在转子球面，每层分布10个，所有永磁体N级和S级交错排列。

空心圆柱型线圈分为两层均匀镶嵌在定子球壳中，每层共有12个线圈。

本发明提供一种基于Python和Maxwell的永磁球形电机三维电磁转矩自动化分析方法，图1为本发明实施例的仿真分析具体流程图，本发明一种基于Python和Maxwell的永磁球形电机三维电磁转矩自动化分析方法，包括以下步骤：[0021]步骤S1：根据永磁球形电机机械结构，在Maxwell中定义合适的形状、材料、结构
等，建立完整的永磁球形电机三维模型。

图2为本实施例中永磁球形电机机械结构剖面图。

图3为本实施例中在Maxwell中建立的永磁球形电机三维模型图，所述三维模型包括转子球铁芯、转子输出轴、永磁体、电磁线圈。

[0022]步骤S2：将转子球铁芯、所有永磁体和输出轴视为转子体，在所述转子体的赤道面上构建一个辅助面，并以该辅助面为基准定义辅助面局部坐标系。

在该辅助面局部坐标系下在转子体上分别设置绕X轴，绕Y轴和绕Z轴的电磁转矩作为仿真计算值；
[0023]步骤S3：根据实际要求，在线圈通电截面上添加激励电流，并设置初始激励电流的大小为1A，方向为沿线圈中轴逆时针流动；
[0024]步骤S4：根据实际要求，在转子体上设置三个转角变量，分别为俯仰角(Pitch)、偏航角(Yaw)、翻滚角(Roll)，所述三个转角变量分别绕全局坐标系的X轴、Y轴、Z轴转动；[0025]步骤S5：根据实际要求，编写基于python语言的脚本程序，实现自动调整激励电流、转角变量等仿真参数并运行仿真计算电磁转矩的功能，并保存每一次改变后的仿真计算结果。

所述基于python语言的脚本程序包括初始化模块、仿真参数数值产生模块、仿真参数设置模块、仿真计算模块、仿真结果报告生成与导出模块。

在本实施例中，创建基于python语言的脚本程序Sphe_PyMaxwell.py，引入python内置随机库和Maxwell的脚本环境库，如下：
[0026]import random
[0027]import ScriptEnv
[0028]所述初始化模块包括脚本环境初始化函数ScriptEnv.Initialize()，工程文件打开函数oDesktop.OpenProject()，并设置需要激活的工程和该工程下的设计模型。

所述仿真参数数值产生模块利用python内置随机库中的random函数产生三组随机数序列，用于仿真参数中的三个转角变量。

所述仿真参数设置模块包括仿真参数模式获取函数oDesign.GetModule()和仿真参数设置函数oModule.EditSetup()。

在所述仿真参数设置函数中设置三个转角变量rotor_pitch，rotor_yaw和rotor_roll，分别对应俯仰角，偏航角和翻滚角，并将由仿真参数数值产生模块得到的三组随机数列赋值给三个转角变量。

所述仿真计算模块采用仿真分析函数oDesign.AnalyzeAll()，根据已经设定好的仿真运行仿真，进行分析计算。

所述仿真结果报告生成与导出模块包括仿真结果报告生成函数oDesign.CreateReport()和仿真结果报告导出函数oDesign.ExportToFile()，通过仿真结果报告生成函数将仿真结果以表格或折线图的形式生成，并采用仿真结果导出函数将仿真结果报告以CSV格式保存在磁盘中，以便进一步进行数据分析。

[0029]表1为实施例中当转角变量rotor_pitch的范围为0～33度，转角变量rotor_yaw的范围为0～3度时，采用本发明方法自动化仿真计算得到电磁转矩。

由于实施例中仿真参数数值产生模块采用random函数产生转角变量随机数序列，故表1中仿真计算得到的电磁转矩均在随机位置上。

[0030]表1
[0031]
[0032]
图1
图2
图3。