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摘 要：永磁直流空心杯電機是空心杯電機的一種，體積小重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小、工作效率高、功率密度高，在航空航天及國防軍事裝備領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。以永磁直流空心杯電機為模型，運用Ansoft Maxwell軟件搭建仿真模型，進(jìn)行網(wǎng)格剖分、材料賦予及激勵源等設(shè)置。求解并分析模型在穩(wěn)態(tài)的磁場分布及瞬態(tài)的輸出特性，為電機的設(shè)計與優(yōu)化提供參考依據(jù)。

（二）仿真過程模型創(chuàng)建：使用 Maxwell 的三維建模功能，按照電機的實際尺寸精確繪制定子、轉(zhuǎn)子、繞組等部件。定義材料屬性，如定子和轉(zhuǎn)子鐵芯采用硅鋼片材料，繞組使用銅材。設(shè)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(shè)置合適的邊界條件，如磁力線平行邊界，以簡化計算。

樣機實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比根據(jù)上述的設(shè)計，試制了一款樣機，給電機加 115 Ｖ的直流電壓，調(diào)速到 6000 ｒ/ min，用測功機測試。樣機與仿真的數(shù)據(jù)對比如表１所示。通過表１的對比可知， Maxwell 軟件的仿真值與樣機的實測數(shù)據(jù)比較接近，在誤差的允許范圍之內(nèi)，電機性能滿足設(shè)計的要求。

表1 定子自由模態(tài)仿真與實驗結(jié)果對比2.2 電機電磁振動計算 將前面所計算的電磁激振力和齒槽轉(zhuǎn)矩加載到永磁有刷直流電機三維有限元模型上，通過Maxwell 與workbench 電機磁-固耦合仿真的方法，將二維模型的電磁力加載到三維有限元模型，計算電機的振動響應(yīng)。

仿真如何助力電機設(shè)計仿真可用于提高各行業(yè)電機的性能和效率。工程師在電機設(shè)計中使用仿真技術(shù)，對電機的運動部件和非運動部件的性能進(jìn)行仿真，并深入了解熱、電磁和機械性能，以確保高效設(shè)計。Ansys Maxwell高級電磁場求解器：使用2D或3D有限元方法求解靜態(tài)、頻域和時變磁場與電場。Maxwell軟件符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。

在Workbench中，Maxwell中計算的定子內(nèi)表面徑向和切向磁拉時域力密度分布，作為激勵源，耦合到Mechanical 中進(jìn)行頻域的諧響應(yīng)分析；諧響應(yīng)分析的結(jié)果，作為激勵耦合到ANSYS Harmonic Acoustic 中，作為噪聲分析的激勵。 幾何模型 圖2 模型示意圖 材料參數(shù) ，仿真過程中使用的材料為默認(rèn)的結(jié)構(gòu)鋼2.

永磁同步電機仿真計算一般采用電流源，主要關(guān)注相電流有效值Iprms和內(nèi)功因數(shù)角γ對輸出性能的影響，電動勢相量圖如下圖所示。圖1 電動勢相量圖 永磁同步電機作為電動機使用時，三相繞組的端電壓不能超過電源電壓，因此需要按照下式編輯出端電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

Simplorer中的電磁閥模型 7、電路、機械部分搭建 整體搭建預(yù)覽 8、電路部分搭建電路部分包括激勵電壓源，脈沖開關(guān)，續(xù)流回路。續(xù)流回路包括續(xù)流電阻，二極管與穩(wěn)壓二極管。其中的二極管為了防止繞組正向?qū)〞r續(xù)流回路導(dǎo)通，穩(wěn)壓二極管是為了斷電時，繞組電流快速降為0.

) Ansys Motion電機動力總成的基于電磁激勵力的瞬態(tài)動力學(xué)分析，需輸入不同轉(zhuǎn)速下的電磁激勵力，因此在Maxwell 中需計算輸出多個轉(zhuǎn)速下的電磁激勵力。

表1 定子自由模態(tài)仿真與實驗結(jié)果對比 2.2 電機電磁振動計算 將前面所計算的電磁激振力和齒槽轉(zhuǎn)矩加載到永磁有刷直流電機三維有限元模型上，通過Maxwell 與workbench 電機磁-固耦合仿真的方法，將二維模型的電磁力加載到三維有限元模型，計算電機的振動響應(yīng)。

相當(dāng)于電阻損耗其中 s 為材料的電導(dǎo)率，J 為導(dǎo)體電流密度? Stranded loss:由于電流流過導(dǎo)電材料而產(chǎn)生的焦耳損耗，在這種情況下，導(dǎo)體設(shè)置為絞線形式，電流只能是激勵源，相當(dāng)于I2R，但是R的算法是由幾何模型確定的圈數(shù)、截面積、電阻率等自動計算的，和輸入的R無關(guān)? Stranded LossR:由于電流流過電壓源繞組寄生的集總電阻而產(chǎn)生的焦耳損耗，表示基于

本分步指南專為初學(xué)者設(shè)計，將引導(dǎo)您了解 ANSYS Maxwell 的基本概念和實際應(yīng)用，幫助您建立從事實際仿真項目的信心。在本課程中，您將學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建 2D 和 3D 模型、分配材料、設(shè)置邊界條件以及定義不同類型的激勵，包括電壓、電流和外部電路。您還將探索力和扭矩計算、網(wǎng)格劃分技術(shù)和解決方案設(shè)置，以確保獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

這個全面的實踐課程將您從基礎(chǔ)到使用ANSYS Maxwell（電磁場分析領(lǐng)域的領(lǐng)先軟件工具之一）的高級模擬技術(shù)。無論您是學(xué)生、研究人員還是行業(yè)專業(yè)人士，本課程都將為您提供設(shè)計、模擬和優(yōu)化磁性系統(tǒng)的實用技能。您將探索如何構(gòu)建和分析永磁體、電磁鐵和涉及力、扭矩和運動的動態(tài)系統(tǒng)。通過逐步模擬，您將學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建逼真的2D和3D模型，分配材料，應(yīng)用激勵，并提取有價值的結(jié)果，如感應(yīng)電壓、磁通量和電磁力。

另外，轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子側(cè)氣隙為運動區(qū)域，轉(zhuǎn)子繞中心轉(zhuǎn)速為585rpm，運動區(qū)域如下圖所示： 感應(yīng)電機運動區(qū)域設(shè)置 3）激勵設(shè)置 三相感應(yīng)電機的定子槽的接線圖如下圖所示： 定子繞組接線圖 同時，建立以有效值為380V交流電壓源為激勵源的三相繞組電路模型

,然后,將簡化后的模型導(dǎo)入SpaceClaim進(jìn)行模型處理,最后將處理完畢的模型導(dǎo)入Maxwell?1.2模型假設(shè)及網(wǎng)格模型采用靜磁場求解器進(jìn)行分析?模型建立后,須先對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分采用自適應(yīng)網(wǎng)格如圖3所示?網(wǎng)格劃分完成后,創(chuàng)建計算區(qū)域?設(shè)置激勵源和設(shè)置材料等,相關(guān)仿真參數(shù)的設(shè)置如表1所示?通電線圈是一個封閉的體,需要指定源的方向,建立Section面進(jìn)行定義,如圖4所示?

給每一匝線圈加載激勵電流1A，并設(shè)置求解電感矩陣值，Maxwell 2D→Parameters→Assign→Matrix，在彈出的窗口中勾選加載在10個圓截面上的激勵源。設(shè)置完畢后，對模型進(jìn)行分析求解。

-插入一個Maxwell外電路激勵。 -在外電路激勵圖中加上三相繞組部件ECE3_Model，旋轉(zhuǎn)部件ECER_Model和地GND部件。

電機電磁噪聲仿真結(jié)合了電磁分析和機械分析兩者的分析結(jié)果。循序漸進(jìn)的NVH分析步驟，可以提供準(zhǔn)確的電磁激勵聲學(xué)噪聲，從聲學(xué)角度評估電機的總體性能。此外，工程師還可以通過添加寄生空氣噪聲和機械噪聲，開展綜合全面的聲學(xué)分析。這樣的多物理場解決方案，在整個研發(fā)電動傳動系統(tǒng)的過程中都能發(fā)揮重要作用。

通過對故障工況有限元分析結(jié)果的后處理，總結(jié)出了故障特征信息和相關(guān)的故障程度評價指標(biāo)，為提出如何實現(xiàn)永磁同步電機的可靠運行、建立電機的實時故障診斷系統(tǒng)等方面的內(nèi)容提供了一定的依據(jù)。2 電機的有限元分析模型 將RMxprt模塊中建立的電機模型導(dǎo)入Maxwell 2D中進(jìn)行有限元仿真計算。