ANSYS-Maxwell-2D求解齿槽转矩、饱和电感、饱和磁链的几种方法

齿槽转矩、
一、问题描述
1.齿槽转矩T cog ：当永产生的转矩即为T cog ，它是
是永磁电机特有的问题之关键问题。

2.饱和电感：绕组存在导致绕组电感变化。

考虑高电机模型精度有重要意
3.饱和磁链：绕组交链存在饱和现象。

二、基于Maxwell 2d 的求Maxwell 2D 可以有效对于求Tcog，方法很多为模板，介绍3种方法。

打开该案例后，首先Settings 中设置“Fract 算例，将新算例的类型修例，删除RMxprt 算例，按
1.静磁场扫描转子旋转角首先，选中转子轭和4在弹出窗口中将旋转角度弹出的窗口中，定义变量磁链等随电流变化的规律
ANSYS Maxwell 求解
、饱和电感、饱和磁链
永磁电机绕组不通电时，永磁体和定子是永磁体与电枢齿之间相互作用力的之一，是高性能永磁电机设计和制造中在电感，当电机负载不同时，铁心的虑不同负载电流、不同转子角度下的绕意义。

链有磁链，跟电感一样，磁链也受电流求解T cog 的方法
仿真得出永磁电机电磁方案的齿槽转多。

本文以R17.2 RMxprt 中的自带案例
先将系统中的案例另存到工作目录ions 1”，计算并生成Maxwell 2D 修改为静磁场算例，并分别再复制一按照图1重命名各个算例。

图1 算例重命名
角度的方法
个永磁体，做旋转操作（选菜单Edit 度设置为一个新变量“my_ang”（如图量“my_ang”的初值为“0 deg”。

律，则类似地在输入电流的地方，将电链的方法
子铁芯之间相互作用
的切向分量引起的。

T cog 中必须考虑和解决的的磁饱程度会有差异，绕组电感变化，对提流、转子角度的影响，转矩、电感、磁链。

例4极24槽“assm-1”录下，然后在Design 瞬态场算例。

复制该一次静磁场和瞬态场算
t->Arrange->Rotate），图2），并确定；在新（如要求转矩、电感、电流定义为新变量。

）
图2 旋转转子
然后，选中模型中的“Band”区域，选菜单“Maxwell2D->Parameters->Assign-> Torque” 中,定义求解转矩(如要求电感或磁链，则选“…->Matrix…”，另外在此前还要先定义有电流的区域“Excitations->Assign Current”)，如图3所示。

图3 定以转矩求解
再在“Analysis”中，添加1个“Setup”，设置迭代精度误差为0.1%。

最后，在“Optimetrics”中选“Add->Optimetric…->Sweep Definitions->Add”,选中变量“my_ang”，设定为线性步长、扫描范围[0 deg ,20 deg]、步长0.2 deg，如图4所示。

（如要求随电流变化的规律，则选定电流变量来进行扫描。

）
图4 Optimetrics扫描范围设置
设置完成后即可求解，然后，在菜单“Maxwell 2D->Results->Create Magnetostatic Report->Rectangular Report”中（静磁场分析报告），查看结果（如图5）。

因为本电机的轴向长度为65mm，而Maxwell 2D XY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加入“/1000*65”的运算。

（如果是电感或磁链，则默认为1匝，最后要根据实际匝数，对结果进行修正。

）
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。

而实际工程中常常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的方法
打开“2_Cogging_Torque_MS_Stator”算例，首先选择“Stator”和所有的线圈，做旋转操作，设置旋转角度为新变量“my_Stator_ang”，变量初始值为“0 deg”，如图7所示。

图7 旋转定子
按照算例“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8 Optimetrics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的方法
3.1 多周期仿真
打开瞬态场算例“3_Cogging_Torque_TR_2Period”，首先修改模型转速为“1 deg_per_sec”，初始角修改为“-20 deg”，然后在网格划分中设置合理划分规则，再将“Excitations”删除（右键Delete All）(求电感、磁链时不能删！)，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12 2周期瞬态场齿槽转矩仿真结果
3.2 单周期仿真
打开瞬态场算例“4_Cogging_Torque_TR_1Period”，设置初始角为“0 deg”，转速为“1deg_per_sec”，求解设置如图13所示
图13 1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14 1周期瞬态场齿槽转矩仿真结果
4.结果分析
4.1 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
4.2 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
4.3 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相同，有较小误差。

图17 静磁场和瞬态场仿真结果对比
三、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Optimetrics License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殊处理。

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个周期的计算结果相同；另外测试过，转速1deg/sec 和1min/sec的计算结果相同；计算中网格只需要划分一次，且不需要Optimetrics License支持。

四、注意
（1）结果对比的方法是，先将各个结果文件（图形）的数据导出为*.csv文件（可用Excel打开、编辑、做对比曲线），然后修改题头和数值单位，并导入到同一个结果显示窗口中，直接对比。

（2）要求电感、磁链的话：
（a）对于静磁场法，先要添加激励电流（Excitations-> Assign Current），再添加参数矩阵（Parameters->Matrix），所得结果需要进行匝数、串联连接等情况进行校正；
（b）对于瞬态场法，要添加激励线圈（Excitations->Assign Coil）及其匝数，所得结果要根据线圈串联情况进行校正。