解锁Maxwell Circuit-探索永磁电机多工况耦合仿真计算

一、Maxwell Circuit仿真计算过程

(1)几何建模与材料定义：根据永磁电机的实际结构，在 Maxwell 软件中创建精确的三维几何模型，包括定子、转子、永磁体、绕组等部件。并为每个部件定义准确的材料属性，如电导率、磁导率、相对介电常数等，对于永磁体，还需设定其剩磁、矫顽力等特性参数。

(2)网格划分：将几何模型离散化为有限元网格，合理的网格划分对计算精度和效率至关重要。通常在电磁场变化剧烈的区域，如永磁体与气隙交界处、绕组附近等，需要加密网格。

(3)电路搭建：利用 Maxwell 的 Circuit 模块，根据永磁电机的实际控制电路或工作电路，搭建与之对应的电路模型。电路模型可包括电源、电阻、电容、电感、开关等元件，以及用于控制电机运行的各种逻辑电路。

(4)设置边界条件与载荷：设置模型的边界条件，如磁边界条件（如磁绝缘、周期性边界等）和电边界条件（如电压源、电流源等），以模拟电机在实际工作中的外部激励和约束。同时，根据电机的运行工况，施加相应的载荷，如负载转矩、转速等。

(5)求解与后处理：启动求解器进行仿真计算，得到电机在不同时刻、不同位置的电磁和电路参数。通过后处理模块，可对结果进行可视化处理和分析，如绘制磁场分布云图、磁力线图、转矩曲线、反电动势波形等，提取关键性能指标，评估电机性能。

二、不同工况条件下Maxwell Circuit仿真

1、有无外电路下负载与短路仿真

（1）有无外电路下负载仿真分析

通常情况下，在进行永磁同步电机仿真时直接在Maxwell中采用电压源或电流源且设置相关参数即可满足计算需求，但单独使用Maxwell不便于做永磁同步电机多工况下的仿真，并且从激励源到绕组的电气连接关系不够直观。而借助Circuit模块，搭建从激励源到绕组的电路图，电气连接关系更为直观，下图为使用Maxwell、Maxwell+Circuit模块负载仿真计算结果，两种方式完全是等效的。

（2）有无外电路短路仿真分析

在Circuit中搭建单一工况下的短路电路模型，将其链接至Maxwell中，与单独使用Maxwell进行短路仿真的短路电流曲线近乎完全重合。

2、ASC前置工况短路仿真

（1）电路模型

ASC前置工况下的外电路主体电路模型与通常外电路主体电路模型有所区别，且需要借助控制电路，对两组开关的工作逻辑进行控制，从而达到多工况下的仿真计算。在ASC发生之前，电机处于正常工作状态，在ASC发生之后，电机处于三相短路状态，下图为ASC前置工况下的外电路主体电路模型。

（2）前置空载+短路仿真分析

ASC发生之前电机处于空载工作工况，三相电流为0A，三相空载反电势有效值为20.6V，ASC发生之后，三相空载反电势有效值降为7.4V，而三相短路电流有效为113.4A，使用Maxwell+Circuit联合仿真，实现了空载工况+ASC短路工况的仿真分析，可以分析在ASC发生之后的暂态及稳态电磁数据。

（3）前置负载+短路仿真分析

ASC发生之前电机处于负载工作工况，三相电流有效值为35A，输出转矩为69.1Nm，为正常工作状态。ASC发生之后的稳态过程，三相短路电流有效为113.6A，短路转矩为-78.7Nm，转矩与转速方向相反，为制动转矩。

在ASC发生之后的暂态过程中，三相短路电流、Id、Iq电流及转矩均出现一个比较大的冲击，尤其Id，Id为一负值，Id起去磁作用，严重时会导致永磁体发生不可逆退磁，电机会造成不可逆的伤害，因此需要电磁工程师在进行设计，要合理设置永磁体参数，在ASC发生瞬间，能够抵抗住abs(Id)max的冲击。

三、我的Maxwell Circuit仿真视频教程

在有无外电路下，永磁同步电机的空载、负载、短路仿真计算是等效，而借助外电路模型，不仅使得从激励源到绕组之间的电气连接关系更加明确，还可以实现多工况下的电磁仿真，尤其是ASC退磁仿真，抗退磁设计在整个电机电磁设计中占据着非常重要的位置。借助Maxwell+Circuit，不仅可以仿真计算得到稳态的短路电流和短路转矩，还能得到在ASC发生之后的暂态中出现去磁分量Id的峰值，再将永磁体的温度考虑进来，即可校核永磁体在高温下ASC下抗退磁能力。

以上内容已经收录到我首发仿真秀的视频课程《Maxwell Circuit永磁电机外电路激励多工况仿真计算9讲》该课程围绕Maxwell Circuit多工况电磁仿真展开，Circuit为Maxwell提供外电路作为其激励，电路模型由主电路和辅助电路构成，主电路电气连接电机绕组和激励源，辅助电路控制主电路的工作逻辑，从而完成多工况下电磁仿真。尤其是ASC（Active Short CIrcuit）主动短路工况，ASC为整车提供高压保护，防止过高的反电势对动力电池、母线电容和其他高压器件的损坏，同时由于ASC前后电机电压有效值发生阶跃，激发的动态短路峰值电流超出电机稳态短路电流，增加功率器件过流损坏和电机永磁体退磁的风险。因此在进行电磁设计时，需要考虑ASC下永磁体的抗退磁能力。

以下是我的课程安排

《Maxwell Circuit永磁电机外电路激励多工况仿真计算9讲》

仿真秀读者福利

仿真秀，致力于为每一位学习者提供优质的仿真资源与技术服务支持，让您的仿真学习之旅更加顺畅，欢迎在公 众号对话框与我互动交流！以下资料供用户永久免费下载哦（见下图）。

下载地址在仿真秀APP公 众号菜单-资料库-资料下载-进入百度云盘群下载，不会失效，且永久免费更新。