做电机设计这些年我从一开始死磕径向磁通电机到后来被轴向磁通电机的扭矩密度“圈粉”中间踩过不少坑也在ANSYS Maxwell里从零搭过好几版3D轴向磁通电机模型。“即用型”这三个字听起来很美好但如果没有把几何建模、边界条件、网格策略和求解设置这几样东西理顺模型不是算不动就是算出来的东西根本没法看。这篇内容我会把整套搭建流程、关键参数的确定方式、仿真中容易翻车的地方一次性讲透希望能帮你省下几周试错时间。1. 为什么轴向磁通电机必须做3D仿真1.1 轴向磁通的本质决定了2D近似失效径向磁通电机是我们最常见的电机类型磁场方向从定子齿指向转子铁芯基本在同一半径平面内变化。拿ANSYS Maxwell的2D模块去算截面一剖磁路基本能呈现出准确的分布求解速度快得离谱。但轴向磁通电机不同它的气隙磁场从一端流向另一端磁路沿着电机轴向贯穿同时磁体布置在端面上那种把三维磁路“压扁”到二维平面的做法会把端部漏磁、内外径处磁密差异、双层定子结构的空间耦合全部丢掉。我做第一个轴向磁通样机时一开始天真地想用2D等效模型估算反电动势结果实测和仿真相差接近20%。后来老老实实转3D瞬态仿真把磁体、气隙、绕组端部都放进去仿真曲线和实测波形才基本重合。结论很简单轴向磁通电机的磁路天然是三维的想得到能指导样机设计的精度3D仿真是刚需。1.2 3D模型能帮我们回答哪几类关键问题轴向磁通电机在电动汽车轮毂电机、无人机、风力发电、机床主轴里面越来越常见它的典型诉求是“在很短的长度里塞进足够大的扭矩”。当你拿到一个新项目脑子里通常有这几个问号一是空载和负载时的气隙磁密分布到底长什么样。轴向电机的气隙磁密不仅沿圆周方向变化沿径向也明显变化内外径处磁密往往差异巨大这直接影响齿部、轭部的饱和程度。二是反电动势波形和齿槽转矩大小。轴向磁通电机的永磁体通常采用扇形或矩形块结构本身就会对波形有很大的整定空间。改一个磁体夹角或者磁体厚度齿槽转矩可能就能削掉一半以上但这事你得在3D模型里才能准确看到趋势。三是端部绕组漏感和铜耗分布。轴向电机的绕组端部比较长特别是在某些内置式拓扑里端部漏感对弱磁扩速能力影响很大。2D没这个说法3D才能算清楚。四是不平衡轴向磁拉力。如果你做的是单转子结构转子和定子之间的轴向吸力非常大对轴承选型影响明显。这个力向量在3D中可以直接提出来我后面再细说。2. 建模前先想清楚的结构与参数问题2.1 确定拓扑结构单转子、双转子还是双定子轴向磁通电机有很多流派先说最常见、最适合用Maxwell从零搭建的三种单转子单定子结构最简单模型尺寸最小但轴向磁拉力大通常用于小功率高速风机类应用。双转子单定子就是定子夹在中间、两边各一个带永磁体的转子盘轴向磁拉力互相抵消扭矩密度高目前电动航空和轮毂电机用得多。单转子双定子定子分列两侧转子盘在中间扭矩密度也很大但绕组、冷却系统复杂程度更高。我一般建议入门的人先用双转子单定子结构练手因为它在对称性上有天然优势。Maxwell里只需要把一个转子盘画出来另一个用对称边界条件隐式表达仿真速度能差出一大截。2.2 快速估算几何参数避免闭门造车别一上来就闷头画图。搭建3D电机模型前最好先按基础公式把主要尺寸框出来即使后面还会迭代至少心理有个数。以双转子单定子的外转子结构为例我通常这样走先确定目标转矩和额定转速。用一个简单关系估算电磁体积转子外径约等于(D_o \approx \sqrt[3]{\frac{T \cdot 60}{\pi \cdot n \cdot \sigma}})其中(\sigma)是剪切应力经验值风冷轴向电机大概取20-40 kPa水冷可以到50 kPa以上。然后定内外径比。这是轴向电机特有的关键参数通常取0.55到0.75之间。比值太小内径附近磁密利用率低铜线全堆在外径比值太大内外径磁密差太明显容易局部饱和。我常用0.65起步。磁体厚度直接决定工作点。钕铁硼N42矫顽力一般在-838 kA/m左右剩磁约1.30T。常规做法是磁体厚度取气隙长度的5到8倍。比如气隙单边1mm磁体厚度6mm这样在正常负载下不容易退磁气隙磁密能稳定在0.8T以上。气隙长度要按生产装配能力尽量压缩但也要给轴承跳动、热膨胀留余量。小功率电机单边0.5-1.0mm大电机1.5-2.0mm都很常见。齿槽数、极数组合也要先定下来。轴向电机常用分数槽集中绕组比如12槽10极、24槽20极。极数多轴向磁通路径短轭部可以做得更薄但极数太多工作频率高铁耗会明显上升。综合考虑控制频率和铁耗我一般把电频率控制在500Hz以内。2.3 对称模型的取舍全模型、半模型还是分块模型3D仿真最怕网格量爆炸任性建全模型通常不是明智选择。轴向磁通电机的结构存在天然的周期性利用对称性可以节约大量计算时间。全模型适合做整机不平衡分析比如研究偏心故障、单边磁拉力但日常设计仿真很少用。半模型适合偶极对称且能接受半个圆周映射的场合如果极对数本身有周期数没必要做半模型。分块模型是最实用的做法比如24槽20极设计GCD为4最小对称单元是1/4模型也就是6槽5极。在Maxwell里设置好对称边界其他部分通过周期性边界自动映射网格量直接降到全模型的1/4甚至1/20。我自己的习惯是先把完整的1/4或1/8模型跑通确认波形趋势和齿槽转矩周期没有异常再考虑要不要扩展成更大的模型。图快直接在复杂模型上跑一旦报错或者结果发散排查成本会非常高。3. 在Maxwell中从零搭建3D轴向磁通电机模型3.1 建立瞬态工程并设置单位制打开ANSYS Electronics Desktop新建Maxwell 3D设计求解类型选择Transient。瞬态求解能直接给出转矩、反电动势、磁链随时间变化的曲线后续加外电路、喂控制器模型都很方便。几何单位我统一设为毫米。别看这种设置不痛不痒一旦从CAD导入的模型是英寸而你忘了切单位后面几何检查会非常痛苦。模型默认工作温度设为85度或按你实际工况来因为钕铁硼磁性能和铜线电阻率对温度非常敏感温度错了结果会整体偏差。3.2 用参数化方式创建几何体创建几何有两种路线一种是在外部CAD软件画好再导入另一种是在Maxwell内部直接参数化绘制。我强烈建议在方案探索阶段尽量在Maxwell内部参数化建模。原因很简单你后面要扫描磁体厚度、气隙长度、内外径比如果模型是外部导入的死几何每次改动都得重新建模重新导入效率很低。以双转子单定子外转子结构为例我通常这样分步创建先建磁体。磁体是扇形块有内外径、厚度、张角这几个参数。在Maxwell里建一个扇形可以先画一个圆弧面再Extrude。注意把磁体轴向方向定义为Z轴方向磁体充磁方向也沿Z轴这样才能形成轴向磁通。一个转子盘上排列若干磁体相邻磁体极性相反另一个转子盘上的磁体与这盘的磁体相对摆放形成N-S相对或S-N相对。再建转子背铁。转子背铁是一块圆环盘作用是给磁通提供回路。外转子结构的话磁体贴在背铁的内侧面上内转子结构则反过来。背铁厚度依赖极对数极数越多轴向磁通回路越短背铁可以越薄但绝不能因为饱和把磁通憋在背铁里。下一步建定子铁芯。轴向电机的定子有两种主流形态有槽结构和无槽结构。有槽定子需要用多个扇形模块拼成环形每个模块有齿部绕组绕在齿上无槽定子则比较简单直接一个软磁圆环绕组粘在环表面。有槽结构扭矩密度高但齿槽转矩也更明显无槽结构装配简单、无齿槽转矩但气隙等效长度大有效磁密会打折。我在早期样机上用的是12槽集中绕组架构所以建模时是先创建一个带齿的扇形定子模块组再阵列到全圆。绕组线圈我习惯用简单的实体矩形体近似。Maxwell本身不要求线圈几何非常精细真正关心的是线圈在磁路中的位置和端部形态。线圈可以画成一个“矩形环”体代表一匝导线并串联多个匝数。为了照顾端部漏感端部的轴向长度尽量按实际尺寸建模不要为了省事把线圈全贴在齿根里。所有几何体尽量全部用表达式驱动。例如磁体厚度设为MagT气隙长度设为AirGap定子内径设为Rsi。后面做参数扫描时直接改全局变量模型就能自动重建。3.3 材料定义的几个关键细节材料这块是最容易出错的地方也是影响仿真准确性最深的一环。永磁体选择NdFe35或N42重点看剩磁和矫顽力。Maxwell材料库里的NdFe35常被拿来代替N42但如果要精确仿真最好手动输入B-H曲线和退磁曲线。注意温度不同材料属性要跟着变。我曾见过有人拿常温材料参数去仿真85度工况结果反电动势虚高近10%。定子铁芯常用M270-35A或M19等硅钢片。重要的事情是必须指定硅钢片的叠压方向。轴向磁通电机的磁通沿Z轴走与硅钢片叠压方向平行这意味着铁芯在Z方向上的有效磁导率会降低铁耗的几个分量也和叠压系数直接相关。在Maxwell里设置叠压系数一般取0.95-0.97同时把叠压方向设为Z轴。这个细节不做铁耗误差会比较大。绕组铜材料用copper就行但注意把电导率加上温度系数。如果用负载电压源激励或者外电路绕组电阻会直接影响电流大小而电阻随温度变化非常明显。3.4 坐标设置与激励源加载在Maxwell瞬态仿真里要让转子部分真正转起来首先要建立一个Band运动域。Band是一个包住转子所有运动部件的圆柱体定子部分绝对不能有部分嵌入到Band里。轴向磁通电机的Band通常是一个包裹住转子盘、磁体和转轴的圆柱套且要留一点空气层不要贴到磁体表面不然网格在运动边界上容易出问题。接着设置转子绕Z轴的旋转运动给定额定转速比如3000rpm。如果不设旋转那就变成静态或扫频问题了得不到转矩-转速特性。激励源的选择是仿真准确性的分水岭。我分两种情况看如果只想快速看空载反电动势、齿槽转矩直接用电流源设为0A即可。这样磁场仅由永磁体产生求解速度快结果直观。如果要做负载性能、稳态转矩、效率map最好用电压源或者外电路。电压源需要给定每相电阻和漏感与外电路方式相比更简化但也可以获得不错的稳态结果。外电路则能放进变频器模型、PWM调制、死区等环节。三相绕组的接线方式要清楚。轴向电机集中绕组常采用Y型连接或三角形连接。在Maxwell激励里通常给A、B、C三个绕组分别加电流源或电压源中性点是否连接由外电路决定。对于Y型接法三个相电流满足IaIbIc0如果你的驱动策略是正弦PWM直接把三相正弦电流源相位差120度扔进去先看看电机本身的电磁响应。这里插一句经验第一次调试时先用电流源激励把负载转矩跑出来再切换到外电路模型否则一上来就是电压源外电路任何电流波形异常你都很难判断到底是电机模型出错还是驱动控制问题。3.5 边界条件对称与周期设置如果我们只建了1/4或1/8模型就要在切面处设置对称或周期边界。最常用的是Master/Slave边界也就是主从边界。两个切面分别在模型的两侧Maxwell要求两个切面在几何上完全一致并且自动建立场量的周期性映射。对于电机1/4模型一个Master面和一个Slave面就够了两个面之间的旋转角度对应电机的一个周期角度。另一种是对称边界Symmetry分为奇对称和偶对称。如果磁场在切面上满足法向对称或切向对称可以用对称边界直接截半。但对轴向磁通电机来说磁体布置和绕组连接往往同时包含奇偶对称成分用起来要非常小心。我建议新手优先学Master/Slave它逻辑清晰不容易出错。还要设置模型的求解区域。Maxwell会要求一个包围整个电机的Region默认是背景空气。Region边界要离电机表面至少半个气隙长度以上太近会导致漏磁被错误截断太远则网格膨胀。轴向磁通电机的主磁通轴向穿过气隙Region的轴向边界尤其要留足否则端部漏磁算不准。3.6 网格划分策略与求解配置3D仿真百分之八十的成败都取决于网格。Maxwell的默认自适应网格对简单几何有效但轴向磁通电机里有个典型的“细长气隙”问题气隙方向尺寸往往只有1mm左右而径向尺寸可能上百毫米。如果完全靠自适应网格会先在气隙里生成一堆高长宽比的单元导致收敛很慢。我常用的做法是把气隙区域单独建出来手动设置空气间隙体并在其中设置沿轴向的“层数”。Maxwell有Sweep或Thin Sheet的处理方式也可以给气隙区域单独加一个Mesh Operation设定最大单元边长和最少层数。理想情况下气隙厚度方向至少要有2-3层单元才能正确解析磁场梯度和电磁力分布。磁体区域也要给足网格密度。磁体内部的磁场变化虽然不如气隙剧烈但磁体边缘、靠近气隙处的磁密梯度很大不够细致的网格会导致齿槽转矩算出来像锯齿一样抖动。通常我给磁体设置最小单元边长为磁体厚度的1/5。定子齿部是另一个网格敏感区。齿部磁密通常比较高容易出现局部饱和。齿尖和齿根位置最好额外加密一层表面网格否则磁饱和云图会非常“破碎”。求解器设置方面Transient求解需要设定总仿真时间和时间步长。我通常这样估算电机转一圈的时间是60/n秒。齿槽转矩的周期与极数和槽数的组合有关为了能看清齿槽转矩波形步长至少要小于齿槽转矩周期的1/20。比如转速3000rpm、极对数为5时电频率是250Hz转矩波动的主要频率成分会是10倍或20倍电频率。稳妥的做法是先设时间步长为电周期的1/60再逐步加密观察。Maxwell瞬态求解会支持多核并行可以在求解选项里打开HPC选项。网格量小的模型开不开区别不大模型一上百万网格并行与否差了可能数倍时间。我习惯在配置机器时至少给Maxwell 16GB以上的内存200万网格的模型大概需要20GB以上内存否则swap会严重拖慢速度。3.7 外电路与控制环节的接入做基础电机仿真时电流源激励就够了但如果你关心电流谐波、转矩脉动、PWM开关频率的影响就必须引入外电路或Maxwell自带的Simplorer。在Maxwell瞬态模型里绕组激励可以切换成External然后打开External Circuit编辑器放置三相桥臂、IGBT/MOSFET、直流电源、负载和PWM控制逻辑。这样做之后电机相电流不再是你预先给好的光滑正弦波而是带有开关纹波的电流转矩波形也会出现对应频率的脉动成分。因为电流波形是由电压源、电阻、电感和反电动势共同决定的这个反馈过程天然还原了真实电机的电气联动行为。但也要提醒一句外电路仿真会让求解时间明显变长特别是PWM开关频率远高于电频率时时间步长必须小到能捕捉开关过程计算量是普通电流源仿真的十到几十倍。没有特殊需要不建议在早期设计阶段就上外电路。4. 仿真过程中的常见问题与排查技巧我在各种3D电机仿真项目里遇到过很多让人抓狂的报错和异常结果挑几个最典型的分享下。4.1 网格数爆炸内存直接爆掉这是3D仿真最经典的“劝退”问题。有次我做一个24槽20极模型忘了用分块对称模型直接全模型跑网格数破了1500万求解到一半内存直接耗尽。解决办法分三路一是用对称模型把模型域缩小一个周期二是给空气区域设置合理的最大单元尺寸不让均匀网格充斥整个Region三是开启网格自适应收敛的严格判断不要为了追求0.1%的能量误差无限加密。还有个被忽视的点Region边界和电机外形如果太贴合Maxwell会自动在两者之间的薄层里生成大量细网格。Region稍微放大一些有时反而能减少网格量因为薄层的细小单元消失了。4.2 齿槽转矩或转矩波形异常抖动齿槽转矩本身周期短如果网格不均匀或时间步长太大锯齿状噪声会淹没真实波形。先检查时间步长是否足够小再检查气隙网格层数。我曾试过气隙只有单层网格时齿槽转矩峰值比双层网格大了近一倍。原因很简单Maxwell计算电磁力时对气隙磁密梯度比较敏感单层网格无法捕捉齿尖处的磁场快速变化。如果网格步长都没问题波形依旧“毛刺”就要怀疑磁体网格边界。磁体单元边界和定子齿的相对位置会在每个时间步产生周期性的绑定差异网格越粗越明显。把磁体表面网格加密后毛刺通常能降下来。4.3 反电动势波形不对称或幅值偏差过大反电动势波形不对称第一个要查的是磁体充磁方向和绕组连接方向。轴向磁通电机里相邻磁体N-S交替如果一个磁体的充磁方向被定义成反了波形会出现明显的偶次谐波不对称。第二个查项是绕组匝数和并联支路的相序很多时候是从几何阵列复制绕组时把某相绕组方向搞反了或者出线端定义错了。幅值偏差过大则要看材料参数和转速。永磁材料剩磁不精确、温度属性没设、转速单位偏差都会直接造成幅值成比例偏移。我之前有一次把转速设成了弧度每秒结果反电动势幅值比预期低了快十倍检查半天才发现是单位问题。4.4 对称边界报错或结果不闭合Master/Slave边界最烦人的报错就是两个切面几何不完全一致。由于建模误差或阵列复制后微小的坐标偏移Maxwell会提示无法匹配。解决方法是选中两个面后用几何检查工具查看距离偏差然后统一调整对象位置。另一个常见问题是Band域和对称边界交叉。Band必须在对称切面内保持完整圆柱不能切出半个Band来否则运动域的拓扑结构直接崩掉。4.5 仿真不收敛或求解时间异常久遇到不收敛我一般按顺序排查先看网格最差单元长宽比太大的长宽比会导致求解矩阵病态再看Region是否设置太大Region过大会让空气单元增长且无意义最后看是否缺少阻尼。如果模型里没有任何阻尼项瞬态求解时少量数值噪音会被永磁体激励持续放大造成电流或转矩发散。这时可以试着加一丁点机械阻尼或者把时间步长缩短。Maxwell求解时间异常还有个容易被忽略的点是HPC并行核数设置过高。网格量只有几十万时开太多核反而会让通信开销盖过计算收益求解时间变长。我测试过50万网格以上开4-8核提升明显小模型2-4核就已经顶天了。5. 后处理分析与结果验证5.1 空载反电动势与齿槽转矩模型收敛后先看空载反电动势波形。在Maxwell里可以直接输出绕组磁链对时间的导数也就是反电动势。观察三相反电动势的幅值是否一致、相位差是否为120度、波形是否光滑。轴向磁通电机能通过磁体张角和极弧系数调整反电动势的正弦度适当的分数槽绕组可以让反电动势更接近正弦。齿槽转矩通常在空载、电流为零时提取。齿槽转矩的周期和极槽配合强相关它的频率成分应当与理论计算一致。我见过不少新手拿到齿槽转矩波形后觉得“看着乱”其实是没看明白它包含多个谐波成分。用FFT分解一下主谐波频率来确定周期再比对网格加密后的曲线是否基本重合就可以判定仿真可信。5.2 负载运行与电磁转矩电流源激励下加额定电流得到稳态转矩。先看转矩平均值是否满足设计目标再看转矩脉动峰峰值是否在预期范围。轴向磁通电机由于结构特性转矩脉动往往比同尺寸径向电机更复杂需要分别评估磁阻转矩分量和水磁转矩分量。扭矩波形出来以后我还建议直接看气隙磁密云图和磁力线分布。轴向电机的磁密云图有一个很有趣的特征越靠近外径磁密往往越高因为磁体线速度大且极弧跨度大。如果发现内径附近磁密极低说明内外径比取值不太合理可以进一步调整。另一个常被忽略的指标是轴向电磁力。在Maxwell的场计算器里定义一个轴向力表达式直接测量单转子盘的轴向受力。双转子结构里两侧磁拉力理论上互相抵消但只要你把气隙做得稍微不均匀轴向力差就出现了这对轴承寿命影响极大。常见的设计指标是轴向不平衡力应小于额定重力的10%左右。5.3 损耗提取与效率评估损耗在Maxwell瞬态中也能够分别评估铁耗会按硅钢片B-P曲线直接由场分布计算出来铜耗则根据绕组电流和相电阻计算。轴向磁通电机由于频率较高齿部是铁耗的主要来源尤其在高转速下涡流损耗会非常惊人。做损耗分析时一定记得把铁芯材料的B-P曲线设置完整不要用Maxwell里默认的近似值否则铁耗结果可能只有参考价值。很多时候样机温升太高回头查仿真发现铁耗模型材料曲线粗得离谱这种错误最好在设计阶段直接规避。5.4 仿真结果与实测的对照方法样机下线后最好第一件事做空载反电动势测试和齿槽转矩测试这两个项目最容易跟仿真结果直接对照。实测反电动势只要保证转速一致波形和幅值误差在5%以内就是合格模型。齿槽转矩由于对气隙和磁体公差很敏感误差可能在20%以上所以不用过分追求精确但要确保周期和峰值趋势与仿真一致。负载测试建议等效率map出来后和仿真曲线对比。注意测试时电压波形和驱动策略要和仿真外电路尽量一致否则电流谐波不同转矩和损耗都会对不上。6. 一点个人体会做轴向磁通电机仿真真正难的不是Maxwell软件操作而是你有没有想清楚每个参数背后对应的物理意义。磁体厚度、气隙、极弧系数、内外径比这些参数之间是强耦合的调一个往往会影响两个结果。我的习惯是每改一次参数先盯三个量反电动势总谐波畸变率、负载转矩平均值、最大饱和磁密。这三个量不过关其他指标再好也白搭。如果时间充裕还可以把参数化扫描跑起来用Maxwell内置的Optimetrics做简单的灵敏度分析。比如把磁体厚度从4mm扫到8mm把极弧系数从0.7扫到0.9看齿槽转矩和反电动势THD的变化趋势通常十分钟内就能得到一张很有指导意义的二维曲线图。找我做电机设计咨询的工程师我经常劝他们别急着上样机先把这张曲线图做出来很多设计方向上的弯路都能避免。最后一个建议建模型时一定要随时保存版本并记录关键设置。3D电机模型的调试有时候要折腾好几天中间可能出现各种让人想摔鼠标的报错。一旦你找到一组能稳定收敛且结果合理的设置把它固化成一版模板以后新项目直接在模板上改几何参数能省下大半建模时间。
