电磁仿真设计RMxprt-6p72s电励磁凸极同步电机分析案例

作者 | 电机设计青年 仿真秀专栏作者

导读：大家好，我是仿真秀专栏作者——电机设计青年，曾担任ANSYS低频电磁工程师一职，后入职电机企业，一直从事电机产品研发工作。研究的电机类型涉及电励磁同步电机、永磁同步电机、空心杯电机、轴向磁通电机等，应用行业涉及新能源汽车、航空、医疗器械等，精通软件且设计经验丰富。即日起，我决定把自己原创的《RMxprt电机设计70讲》视频教程分享给平台用户，详情见后文；希望能够对电机设计学习者有一定的帮助，并乐意与所有订阅用户一起交流，共同进步。

电励磁凸极同步电机即可作为电动机运行，也可作为发电机运行，其应用场合非常广泛。在定子铁芯上嵌放有三相电枢绕组，可使用扁导线也可使用圆导线，转子铁芯采用凸极结构，每个磁极上放置有励磁绕组，与内置式永磁同步电机不同，电励磁凸极同步电机的D轴磁路磁导率大于Q轴磁路磁导率，使得其D轴电感大于Q电感。本文采用RMxprt模块，详细说明其设计过程，如有不当欢迎批评指正。

一、主要参数

3、定子电枢绕组参数表1.3所示；

5、转子阻尼槽参数表1.5所示，也是设计为双鼠笼槽或半槽结构；

6、转子励磁绕组参数表1.6所示；

二、设计流程

对于大多电机类型，RMxprt有相同的设计流程，如图2.1所示；

1、Machine参数

• 摩擦损耗、风阻损耗与电机转速的平方成正比，需要输入参考转速下的数值；

图2.2 Machine参数

2、Stator参数

• 参数Lamination Sectors为定子冲片的分瓣数，对于大型电机，一个定子冲片可由数瓣扇形的冲片组合而成；

图2.3 Stator参数

• 对于电枢槽型，软件支持自动设计和平行齿结构；

图2.4 Stator Slot参数

• 电枢绕组采用双层、全级式绕组形式；

图2.5 Stator Winding参数1

图2.6 Stator Winding参数2

3、Rotor参数

图2.7 Rotor参数1

• 凸极转子铁芯的拓扑结构如图2.8所示，可构成均匀气隙和非均匀气隙结构；

图2.8 Rotor磁极拓扑结构

• Second Air Gap：第二气隙长度（极身与转子轭之间的长度）；

• Pole Shoe Width：极靴宽度；

• Pole Shoe Height：极靴高度；

• Pole Body Width：极身宽度；

• Pole Body Height：极身高度；

• Pole Arc Offset：极弧中心与转子中心的偏心距；

• Second Pole Arc：第二极弧，选择磁极表面是否包括半个磁极范围内的两段圆弧。当选择该项后，将增加Off2_x 和Off2_y两个选项；

• Off2_x：第二极弧x方向的偏心坐标，只有当Second Pole Arc 被选择是可用；
• Off2_y：第二极弧y方向的偏心坐标，只有当Second Pole Arc 被选择是可用；
• Magnetic Press Board：选择压板是否是由磁性材料构成；

• Press Board Thickness：压板厚度；

图2.9 Rotor参数2

• Shoe Insulation：极靴之下的绝缘材料厚度；
• Pole Insulation：极身侧面的绝缘材料厚度；

• Winding Clearance：绕组间隙；

图2.10 励磁绕组示意图

图2.11 Rotor参数3

• 转子励磁绕组和阻尼绕组的拓扑结构图2.12所示；

图2.12 转子励磁绕组和阻尼绕组拓扑结构

• Winding Type：转子绕组型式；
• Parallel Branches：转子绕组的并联支路数；
• Conductors per Pole：每磁极导体数，输入0，RMxprt会自动设计；
• Number of Strands：并绕根数，输入0，RMxprt会自动设计；
• Wire Wrap：导线漆膜厚度，输入0后能从导线库中自动获得；
• Interturn Insulation：绕组的匝间绝缘厚度。当选择绕组型式为Edgewise时可用；
• Wire Size：电枢绕组的线径，0表示自动设计；
• Axial Clearance：磁极绕组与磁极间的轴向间隙；
• Limited Cross Width：绕组设计时的限制交叉宽度，输入0则为可用的最大值；
• Limited Cross Height：绕组设计时的限制交叉高度，输入0则为可用的最大值；

• Winding Fillet：绕组弯曲部分的倒角；

图2.13 Rotor Winding参数

• 转子阻尼端环采用类型3，用一个导电圆环把所有磁极下的导条都连接起来；

图2.14 Rotor Damper参数

• 参数Hs01决定阻尼槽是否为开口槽；

图2.15 Rotor Damper Slot参数

4、Shaft参数

• 采用非导磁轴；

图2.16 Shaft参数

5、求解参数

• Operation Type：在下拉菜单中选择运行方式：Motor or Generator；
• Load Type：从下拉列表中选择负载类型；
• Rated Apparent Power：对于发电机，为电机输出的电功率；
• Rated Output Power：对于电动机，为电机转轴输出的机械功率；
• Rated Voltage：电机线电压有效值；
• Rated Speed：在电动机负载端的理想输出转速；

• Operating Temperature：电机运行时的工作温度，工作温度会影响绕线的电阻，进而影响电阻损耗；

图2.17 Setup参数1

三、输出数据

• Solution Data中包含了电机的设计参数以及性能参数，也可查看电机的性能曲线；

图3.1 Solution Data-Performance

图3.2 Solution Data-Design Sheet

图3.3 Solution Data-Curves

四、有限元电机模型

• 一键有限元，自动完成以下操作：模型建立、材料赋予、运动设置、边界条件、电枢绕组分相及激励设置、励磁绕组激励设置、端环设置、网格设置、求解器设置、报告创建；

图4.1 Maxwell 2D有限元电磁模型

五、RMxprt电机设计70讲

RMxprt作为专业的磁路法电机设计软件，计算时间为秒级，且内置了多种电机类型，易于上手且操作简单；软件有许多自动设计功能，如绕组自动设计、槽结构自动设计等；可以进行参数化分析、调优分析以及优化计算，便于多种设计方案的评估；软件的一键有限元功能可以生成Maxwell 2D/3D有限元电磁模型，自动完成诸如运动设置、边界设置、网格设置、激励设置、求解设置等前处理工作，且支持变量的传递，便于生成参数化电磁模型。RMxprt电机设计功能非常专业和强大，成为广大电磁设计工作者的手中利器！

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• 课程基本涵盖了RMxprt电机设计的全部内容，包括电机运行原理、绕组原理、各种定/转子铁芯类型的拓扑结构及参数含义、电路类型、圆/扁导线、自定义绕组/槽型、负载类型、参数分析、优化分析、调优分析、设计参数含义、设置输出变量、电机性能参数含义、创建2D/3D/等值线/堆叠报告、自定义设计表单、Maxwell模型向导、GRM模块电机组合类型等内容；

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 2、本课适合哪些人学习

• 电机设计专业的在校本科生、研究生；

• 新入职或转岗从事电机电磁设计的工程师；

• 善于于学习、钻研不同电机类型的设计人员。