新上课程-Maxwell永磁电机分数槽&退磁计算&扁线绕组仿真计算-第三章

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本次新上课程，主要涵盖三个主题：电枢磁场谐波次数/绕组系数（短距系数/分布系数）/谐波占比/分相、永磁体退磁计算、3D/2D永磁电机电磁场计算/扁线绕组电磁计算。

第三章针对第三个主题展开

相比于永磁电机的2D电磁计算，3D电磁计算更加真实的反应电机实际的电磁场分布。对于永磁电机的定子连续斜槽或者转子分段斜极结构，2D则是采用数学的方式对二维电磁场的计算结果进行处理，从而以平面2D模型模拟立体3D模型，但对于扁线绕组的交流铜耗计算、永磁体涡流损耗的计算、端部效应的计算、以及其他不能通过扫掠方式生成的实体结构等，则只能通过3D电磁场来进行计算。随着计算机硬件能力的增强，以及Maxwell软件计算能力的提升，3D电磁场计算电机电磁性能的时间成本不再是制约因素。

图1 3D&2D空载线反电势对比

3D与2D的前处理大同小异，主要区别在网格的控制和求解器的设置，课程对这两部分进行了介绍，包括网格的阶数、非线性残差等。图2算例电机在额定负载工况下的铁耗曲线。

图2 铁耗曲线

Maxwell软件直接给出的物理量为相或线感应电压，对应气隙中的合成磁场，对于3D模型，定转子组件的端部效应已考虑进其中，在相/线感应电压中补偿绕组电阻的压降，便是相/线端电压，线端电压应当≤母线电压，计算公式如下，2D模块包含等式右侧的第三项，3D则不包含。

图3为两种常见的Maxwell内置的永磁转子斜极方式，这两种方式有特定的变量参数，在Maxwell永磁电机仿真计算精讲课程中做过详细介绍。而在Maxwell 3D中，用户可以以自己的变量建立3D的全参模型，对于软件内置的功能，使用其实并不便捷，只能按照软件内部的规则来进行，而自定义的全参模型，变量定义清晰，使用不受限制，图4为以永磁转子的轴向分段数（独立变量）、每段永磁转子的轴长（每段均等、其值由总轴长和轴向分段数决定，为非独立变量）、相邻永磁转子之间的夹角（独立变量）为变量建立的参数化模型，用户可以直接对两个独立变量进行参数化计算或寻优计算，当然每段永磁转子的轴长也可以非均等。

图3 Maxwell内置两种斜极方式

图4 自定义斜极

对于3D模型中的磁钢涡流损耗的计算相对就比较简单，使用场计算器可以编辑出永磁体涡流损耗的表达式，并将之添加进求解器中，3D建模时如果没有考虑轴向相邻两段永磁体的间隙，则需要添加绝缘边界条件，如果考虑了间隙，则不需要添加。

图5 MagN1涡流损耗计算

图6为本章8p48s永磁电机的全参结构示意图。

图6 8p48s全参模型

先以2D模型进行初步电磁计算，根据图6结构，绘制出2D的全变量参数化模型，绕组为双层结构，线圈匝数为两匝，一路并联，一根并绕，计算绕组的交流铜耗需要将每根扁线的导体建立出来，扁线纯铜的长度和宽度作为非独立变量，其值由槽身宽度、绝缘纸厚度、单边漆膜厚度三个独立变量来决定。交流铜耗的计算由纯铜扁线的尺寸、给定温度下的电导率、扁线截面上的电密分布决定，需要对绕组模型的网格进行精密控制，如图7所示，在额定负载下，绕组总的交流铜耗如图8所示。

图7 2D-绕组网格剖分

图8 2D-绕组交流铜耗

图9为某时刻下的电密分布云图，电密的分布与扁线所在槽内的位置有一定的关系，靠近槽口的位置，经过槽口闭合的磁力线相对较多，磁场变化较为严重，涡流效应也较为严重，给定时刻下的电密分布越不均匀，由涡流效应引起的交流铜耗也就越大。

图9 2D-绕组电密分布

在3D电磁模型中，定转子铁芯、永磁体、空气域可由2D的全参模型经过Thickness或sweep命令生成，而三维的绕组模型需要自定义建模，图10为双层绕组、2匝线圈的叠绕组全参模型，纯铜扁线的长度和宽度仍由槽身宽度、绝缘纸厚度、单边漆膜厚度三个独立变量来驱动，增加了绕组直线部分单边伸出定子铁芯长度、端部轴向长度、发卡部位高度三个独立变量，全参模型建立了电机模板并便于参数化计算或优化计算，为后续研究关键尺寸对交流铜耗的影响程度提供了便利！