定子鐵芯
關注創建者：博集華仿 創建時間：2020-03-10
定子鐵芯的實例教程
本研究在 ＡＮＳＹＳ Ｍａｘｗｅｌｌ 軟件中建立電機的二維電磁場有限元模型，采用 Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１ 帶材作為定子鐵芯材料，轉子鐵芯材料仍為冷軋硅鋼片 ＤＷ３１０＿３５。
電機的主要結構參數和性能指標如表 ２ 所示。
表 ２ 電機的主要結構參數和性能指標
實際上電機定子結構并非完全自由，本文采用 ４個螺栓固定電機定子部分，電機周圍空間為空氣。劃分網格，設置轉子部分的最大單元長度為０. ５ ｍｍ，定子軛部最大單元長度為 ４ ｍｍ，定子齒部最大單元長度為 ０. ２５ ｍｍ， 氣 隙 部 分 的 最 大 曲 面 分 割 長 度 為０. ００１ ｍｍ。永磁體與轉子部分為剛性連接。本文仿真采用疊壓鐵芯，非晶合金材料在制成定子鐵芯之后的性能參數與非晶帶材并不完全一致。在機械場的分析過程中，為了更加符合實際，需綜合考慮非晶電機定子鐵芯的加工過程，及疊片效應對非晶定子鐵芯性能的影響，對非晶定子鐵芯的力學參數進行修正。
修正后非晶定子鐵芯和硅鋼定子鐵芯的力學參數如表 ３ 所示。
展開 電機運行過程中，作用于定子的徑向電磁力波頻率與定子結構固有頻率接近時會引起共振，進而產生電磁噪聲。為抑制電磁噪聲，就要做到“避頻”和“避型”即需將同一階次的徑向電磁力頻率和定子結構固有頻率錯開。因此，為準確預測和抑制整機電磁噪聲，需要準確計算分析定子固有頻率及其模態特性。
本文基于Hypermesh有限元軟件建立新能源汽車用永磁同步電機模型進行模態分析，其參數指標如表1：
表1 電機參數表
2 模態分析有限元模型建立
2.1 定子鐵芯等效
為減小渦流損耗，提高電機效率，定子鐵芯通常不采用實體結構，而是由多個帶有絕緣涂層的薄硅鋼片沿軸向疊壓而成。由于鐵芯疊層結構并不是一個材料連續的彈性體，因此不能簡單地將定子鐵芯作為各向同性材料。
為便于計算求解，本文采用實體等效定子鐵芯疊層結構進行建模：實體模型平面特征與單個硅鋼片一致，長度與鐵芯軸向長度相同。等效后的材料視為橫觀各向同性材料即疊片平面內（x-y平面）視為各向同性材料，與疊片平面正交的軸向（z方向）剛度不同。等效后實體密度為鐵芯實際重量與模型體積的比值。定子材料參數有限元等效過程：在兩個相鄰硅鋼片疊片平面取單位面積的幾何作為分析對象，將疊壓過程縮短的長度平均分配到每個硅鋼片作為強制位移載荷，并把壓縮變形后狀態作為材料參數計算的初始狀態。分別在X、Y、Z單一方向上施加單位載荷，另外兩個方向施加對稱邊界條件，求解材料變形。由材料力學計算公式求解彈性模量F為x方向加載力，A為載荷作用面積，Lx為分析對象在x方向長度，Δx為x方向變形量，εx和εy為x方向和y方向的應變；根據橫觀各向同性材料彈性模量E、泊松比PR及剪切模量G之間的關系：Ex=Ey=Ep，PRzx=PRzy=PRnp，PRxz=PRyz=PRpn，Gxz=Gyz=Gn，材料參數求解。
展開 電機運行過程中，作用于定子的徑向電磁力波頻率與定子結構固有頻率接近時會引起共振，進而產生電磁噪聲。為抑制電磁噪聲，就要做到“避頻”和“避型”即需將同一階次的徑向電磁力頻率和定子結構固有頻率錯開。因此，為準確預測和抑制整機電磁噪聲，需要準確計算分析定子固有頻率及其模態特性。其參數指標如表1：
表1 電機參數表
1 模態分析有限元模型建立
1.1 定子鐵芯等效
為減小渦流損耗，提高電機效率，定子鐵芯通常不采用實體結構，而是由多個帶有絕緣涂層的薄硅鋼片沿軸向疊壓而成。由于鐵芯疊層結構并不是一個材料連續的彈性體，因此不能簡單地將定子鐵芯作為各向同性材料。
為便于計算求解，本文采用實體等效定子鐵芯疊層結構進行建模：實體模型平面特征與單個硅鋼片一致，長度與鐵芯軸向長度相同。等效后的材料視為橫觀各向同性材料即疊片平面內（x-y平面）視為各向同性材料，與疊片平面正交的軸向（z方向）剛度不同。等效后實體密度為鐵芯實際重量與模型體積的比值。定子材料參數有限元等效過程：在兩個相鄰硅鋼片疊片平面取單位面積的幾何作為分析對象，將疊壓過程縮短的長度平均分配到每個硅鋼片作為強制位移載荷，并把壓縮變形后狀態作為材料參數計算的初始狀態。分別在X、Y、Z單一方向上施加單位載荷，另外兩個方向施加對稱邊界條件，求解材料變形。
展開 除了手動繪制模型外，Ansys Maxwell軟件內置了非常多的 User Defined Primitive （UDP）模型庫，包含過各種常用的電機鐵芯/線圈/變壓器鐵芯/直線電機等模型，如下圖所示：
可直接調用并將其中的幾何尺寸設置為變量，快速實現參數化2D/3D建模。
除此之外，ANSYS Maxwell 的UDP功能是一個開放框架，支持用戶自己編寫UDP模型腳本并掛載到軟件中使用，支持C和Python，對于建立復雜幾何模型來說十分高效。
下面以一臺電機定子鐵芯模型的建立為例介紹UPD建模功能
1.快捷UPD中加載定子鐵芯。
在菜單欄中依次點擊【Draw】→【User Defined Primitive】→【RMxprt】，找到【SlotCore】如下：
此時跳出鐵芯參數對話框，如下：
①【DiaGap】和【DiaYoke】分別代表鐵芯氣隙處和軛部的直徑。當DiaGap值＞DiaYoke值時，槽在鐵芯外圓上；當DiaGap值＜DiaYoke值時，槽在鐵芯內圓上。
②【Lengh】：2D仿真時為0，3D仿真時為鐵芯軸長。
③【SlotType】槽類型主要有6種，其中現狀和尺寸參數在下圖：
④【InfoCroe】可以設置UDP生成的類型，0為帶槽鐵芯，1為不帶槽鐵芯，100為以外徑為鐵芯所在區域。
設定完后，點擊【OK】，即可生成定子鐵芯
展開 電機運行過程中，作用于定子的徑向電磁力波頻率與定子結構固有頻率接近時會引起共振，進而產生電磁噪聲。為抑制電磁噪聲，就要做到“避頻”和“避型”即需將同一階次的徑向電磁力頻率和定子結構固有頻率錯開。因此，為準確預測和抑制整機電磁噪聲，需要準確計算分析定子固有頻率及其模態特性。
本文基于Hypermesh有限元軟件建立新能源汽車用永磁同步電機模型進行模態分析，其參數指標如表1：
表1 電機參數表
2 模態分析有限元模型建立
2.1 定子鐵芯等效
為減小渦流損耗，提高電機效率，定子鐵芯通常不采用實體結構，而是由多個帶有絕緣涂層的薄硅鋼片沿軸向疊壓而成。由于鐵芯疊層結構并不是一個材料連續的彈性體，因此不能簡單地將定子鐵芯作為各向同性材料。
為便于計算求解，本文采用實體等效定子鐵芯疊層結構進行建模：實體模型平面特征與單個硅鋼片一致，長度與鐵芯軸向長度相同。
展開 
定子鐵芯的最新內容
“分損 ”定子鐵芯專利獲批， 電機降本增效一舉兩得
2025 年 7 月 24 日，常州神力電機股份有限公司獲專利“ 定子鐵芯、 電 機及家用電器 ”（CN223141619U） 。該鐵芯由環形定子軛與多個定子齒組 成，通過材料與磁路優化，使齒部鐵損b對軛部鐵損a的比值b/a＜ 1 。
同時，該工藝在后續沖裁中分別成型第一和第二定子鐵芯，確保兩者在裝配時具有更高的精度，從而提升定子與轉子之間的配合性能。
該技術的核心優勢在于提高了鐵芯的整體裝配精度，有助于優化電機運行效率、降低能耗，并增強電機的穩定性和使用壽命。隨著電機在新能源汽車、工業自動化等領域的廣泛應用，該專利的落地有望推動相關產業技術升級，增強企業在高端制造領域的競爭力。
2.
定義材料屬性，如定子和轉子鐵芯采用硅鋼片材料，繞組使用銅材。
設置激勵與邊界條件：在繞組上施加三相交流電壓源作為激勵，模擬實際運行時的電流情況。設置合適的邊界條件，如磁力線平行邊界，以簡化計算。
求解計算：選擇合適的求解器（如低頻交流磁場求解器）進行計算，Maxwell 會根據設定的參數和模型進行電磁場的數值求解。
工作時，第一離心扇迫使冷卻風經進風孔，通過磁鋼和定子鐵芯間隙，帶走熱量，部分冷卻風從定子鐵芯槽縫隙帶走銅線熱量，再經第一、第二出風孔排出，有效提升電機內部散熱效果，保障電機工作穩定性和壽命。
2. Hoyer霍爾在中國推出EC電機，深化市場布局
2025年5月27日，全球電機與自動化解決方案領導者Hoyer霍爾在青島中國畜牧業博覽會上發布全新EC電機。
01繞組技術發展歷程
第一代：徑向嵌裝繞組技術
徑向嵌裝繞組是將銅導體繞制成型后，沿定子鐵芯齒部的極靴口裝配進鐵芯槽內。早期以分布式圓線徑向嵌裝為主，1942年發展出集中式圓線徑向嵌裝，1995年進一步發展為集中式扁線繞組和分布式波繞扁線繞組。這種技術受限于鐵芯槽口極靴形狀，影響電機的峰值/持續特性及NVH性能，且生產工藝難以實現高節拍自動化生產。
設定完后，點擊【OK】，即可生成定子鐵芯
3）邊界設置
三相感應電機仿真計算模型采用半模型，定子鐵芯的磁導率遠大于空氣，因此選擇定子外圓為磁力線平行邊界；電機具有反周期對稱性，在其他外側邊界上需要設置反周期邊界條件。
電機的電磁噪聲主要分為兩部分，一種是由電機控制器開關引起的高頻開關頻率噪聲，一種是電機氣隙磁場作用于定子的鐵芯， 產生了電磁力激勵，導致的振動噪聲。電磁力可以分為切向電磁力和徑向電磁力。切向電磁力產生扭矩驅動轉子旋轉,主要作用是維持交變磁場的建立。徑向磁感應強度大于切向磁感應強度，徑向電磁力不產生電磁力矩，徑向力大于切向力。
表1 電機的主要結構參數
主體結構及其尺寸 (mm)
定子鐵芯外徑
190
定子鐵芯內徑
122
定、轉子鐵芯長度
119
氣隙長度
1
最大轉速rpm
10000
轉子鐵芯外徑
2 Simcenter 3D Correlation&Update
電機結構動力學建模及有限元模型修正
電機結構動力學建模也存在一些的不確定性會影響最終建立的電機結構有限元模型，例如：
定子鐵芯中的硅鋼片是各向異性材料，而且為了減少鐵芯中由交變磁勢引起的渦流和磁滯損耗，鐵芯材料通常選用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。
