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01 案例背景

軸向磁通電機（AFPM）又稱盤式電機，是一種特殊結(jié)構(gòu)的電機。其磁通方向平行于電機旋轉(zhuǎn)軸軸向方向，區(qū)別于傳統(tǒng)徑向磁通電機的徑向磁通路徑，這種設(shè)計帶來顯著優(yōu)勢：極高的功率密度和扭矩密度，更短的磁路帶來更高的效率，優(yōu)異的散熱性能，以及緊湊的軸向尺寸和輕量化。特別適合應用于空間受限、要求高功率/高效率的應用場景。

而雙轉(zhuǎn)子的軸向磁通電機通過雙側(cè)磁路工作，磁場利用率翻倍，進一步提高了峰值效率和工況效率，將功率密度、扭矩密度和散熱效能推向，成為高性能電動汽車、航空航天、高端工業(yè)和機器人等領(lǐng)域追求極限效率與緊湊性的解決方案之一。

本案例通過INTESIM低頻電磁有限元模塊對雙轉(zhuǎn)子軸向磁通電機模型進行三維瞬態(tài)仿真，模擬仿真電機在峰值工況下的瞬態(tài)運動輸出特性，指導電機的設(shè)計與優(yōu)化。

02 案例功能特點

03 案例分析：從幾何模型到運動設(shè)置

本案例為20極18槽雙轉(zhuǎn)子軸向磁通電機，額定轉(zhuǎn)速6000rpm，額定功率95KW。

其中定轉(zhuǎn)子采用高性能硅鋼片疊壓而成，定子采用不導磁的定子支架固定，轉(zhuǎn)子為減小損耗進行分塊處理，繞組采用集中繞組，并聯(lián)支路數(shù)為2，繞組匝數(shù)24，槽滿率73.2%，永磁體按N/S均勻排布在轉(zhuǎn)子表面上，使其中心與轉(zhuǎn)子分塊空隙對齊，且上下轉(zhuǎn)子相同位置的永磁體磁性相同。

圖2  雙轉(zhuǎn)子軸向電機幾何模型

材料參數(shù)

本案例用到的材料：定轉(zhuǎn)子鐵芯為B35A250硅鋼片，疊壓系數(shù)0.98，磁鋼采用N45UH釹鐵硼，繞組采用Copper銅，空氣域為空氣。材料屬性如下表所示：

表1  材料屬性表

上表中的材料B-H曲線如下圖：

圖3  鐵芯硅鋼片B-H曲線

邊界及激勵

（1）磁通量平行邊界

本案例采用有限元算法分析雙轉(zhuǎn)子軸向磁通電機的動態(tài)特性，在模型外圍需建立空氣外域，同時在空氣外域的外邊界設(shè)置磁通量平行邊界。

（2）三相繞組激勵

本案例為集中繞組，跨距為1。對三相繞組進行分相，A、B、C三相分別成120°電角度排列，并聯(lián)支路數(shù)為2，繞組匝數(shù)為24匝，如下圖所示，其中紅色為A相繞組，黃色為B相繞組，藍色為C相繞組。

圖4  A、B、C三相繞組排布

其繞組平面展開圖如下：

圖5  A、B、C三相繞組平面展開圖

擬定電機為正弦波電流源驅(qū)動方式，在全局中編輯電流源激勵函數(shù)，分別加載A、B、C三相電流，其中三相電流兩兩相差120°。

為將電流源激勵加載在電機線圈繞組上，需在繞組設(shè)置中對電機繞組分相，并對各個線圈進行電機繞組截面設(shè)置。在3D電機仿真過程中，每個繞組只需要建立一個線圈截面，且電流激勵須垂直流入/流出線圈截面，才能達到正確的仿真效果。在繞組界面中進行并聯(lián)支路數(shù)設(shè)置，在線圈截面中設(shè)置繞組匝數(shù)。A相繞組設(shè)置界面示例如下：

（a）A相繞組設(shè)置                                                 （b）線圈截面設(shè)置

圖6  A相線圈繞組設(shè)置

（3）運動控制

該案例為電機的瞬態(tài)仿真，其額定轉(zhuǎn)速為6000rpm，額定頻率1000Hz。由于本案例模型為18槽20極電機，為使轉(zhuǎn)子磁場軸線與定子磁場A相中心對齊，設(shè)置轉(zhuǎn)子初始位置角為2°。運動區(qū)域為band域內(nèi)的各部分轉(zhuǎn)子及磁鋼，對電機進行相關(guān)運動控制及動網(wǎng)格設(shè)置，以輸出準確的電磁轉(zhuǎn)矩。由于本案例為雙轉(zhuǎn)子雙band案例，須設(shè)置兩部分band及相應區(qū)域的運動控制，輸出兩部分剛體運動轉(zhuǎn)矩，其運動控制設(shè)置如下：

圖7  電機雙band剛體運動控制設(shè)置

網(wǎng)格剖分

本案例為三維雙轉(zhuǎn)子軸向磁通電機的瞬態(tài)仿真，其構(gòu)成組件較多，為了保證計算結(jié)果的準確性和盡可能的減少仿真所需的時間，需要對部分空氣域進行拆分，然后分別劃分網(wǎng)格。此外電機在瞬態(tài)運動過程中，其動態(tài)運動區(qū)域的網(wǎng)格也會不斷的運動，要對動網(wǎng)格區(qū)域進行加密剖分，其網(wǎng)格剖分的質(zhì)量對電機轉(zhuǎn)矩的計算結(jié)果有較大的影響。整個計算域采用共節(jié)點網(wǎng)格進行剖分，總網(wǎng)格數(shù)量為126萬。其網(wǎng)格如下：

圖8  INTESIM 電機三維網(wǎng)格

鐵耗設(shè)置

在軸向電機中，由于定轉(zhuǎn)子鐵芯的用量較大，加上電機轉(zhuǎn)速的增加，電機的頻率也會隨著增大，電機在高速旋轉(zhuǎn)的時候其鐵耗會體現(xiàn)的較為明顯，是仿真設(shè)計電機過程中不可忽略的一環(huán)，直接影響電機的峰值功率和整體溫升，影響電機的運行可靠性。

利用INTESIM-Emag可對電機鐵耗進行仿真，為計算較為準確的鐵耗，設(shè)置仿真時長為2倍周期以上的時間。

INTESIM-Emag鐵耗計算支持各部分組件分別鐵耗計算和各部分鐵耗總和的計算，選擇各部分鐵耗組件，建立單元Set。

圖9  電機鐵耗設(shè)置

04 計算結(jié)果

在電機的開發(fā)設(shè)計過程中，主要仿真電機在各個仿真工況下的輸出轉(zhuǎn)矩、反電勢、磁密、電密等性能指標，本文以該模型的峰值工況進行仿真。

（1）電機峰值工況下的輸出轉(zhuǎn)矩

由于電機為雙子電機，需要在計算峰值扭矩的時候在后處理過程中對兩部分band的輸出扭矩求和。峰值扭矩平均值與商軟對標差異1.91%。

圖10  雙轉(zhuǎn)子軸向電機輸出峰值轉(zhuǎn)矩

（2）電機峰值工況下的反電勢

在峰值工況下，本案例電機反電勢有效值與商軟對標差異1.52%。

圖11  轉(zhuǎn)子軸向電機峰值反電勢

（3）電機峰值工況下的鐵耗曲線

在峰值工況下，本案例電機的鐵芯損耗在穩(wěn)定后的平均值與商軟對標差異4%。

圖12  峰值工況下的定轉(zhuǎn)子鐵芯損耗

（4） 電機峰值工況下在1ms時的磁密

圖13(a)  INTESIM磁密云圖                                            圖13(b)  對標商軟磁密云圖

（5） 電機峰值工況下磁密隨時間變化的云圖分布動畫

圖14 轉(zhuǎn)子運動及磁密云圖分布動畫

（6） 電機峰值工況下在1ms時的電流密度

圖15(a)  INTESIM電密云圖                                                       圖15(b)  對標商軟電密云圖

（7） 電機峰值工況下電流密度隨時間變化的云圖分布動畫

圖16 轉(zhuǎn)子運動及電流密度云圖分布動畫

從仿真結(jié)果來看，利用INTESIM-Emag模塊可以實現(xiàn)軸向雙轉(zhuǎn)子電機的三維仿真設(shè)計。該電機的峰值輸出轉(zhuǎn)矩、峰值反電勢均滿足電機的設(shè)計要求。根據(jù)電機的峰值工況，仿真計算得出電機的鐵耗占比并不高，電機的磁密分布合理，電流密度也低于工程經(jīng)驗值，說明電機在實際工況下可以穩(wěn)定高效的運行。通過與商軟的對標也進一步驗證了本案例雙轉(zhuǎn)子軸向磁通電機仿真的準確性。

05 案例總結(jié)與展望

本案例使用INTESIM低頻電磁有限元模塊，基于復雜三維模型的瞬態(tài)求解，采用多band域運動控制、繞組設(shè)置、3D局部網(wǎng)格細化剖分、鐵耗設(shè)置等精細化仿真功能，實現(xiàn)了該雙轉(zhuǎn)子軸向磁通電機的動態(tài)特性精確求解。

仿真計算得到電機輸出轉(zhuǎn)矩、反電勢、鐵耗等電機性能功耗曲線，以及電機在運動過程中的動態(tài)磁密云圖、電密云圖等其他場的分布云圖。

分析結(jié)果表明，INTESIM在各工況下的計算結(jié)果均與對標商軟基本一致。具備軸向磁通電機的精確仿真能力，也滿足雙band乃至多band域的仿真設(shè)計需求。

本案例驗證了INTESIM低頻電磁模塊對雙轉(zhuǎn)子軸向磁通電機瞬態(tài)運動特性的仿真能力，能夠為廣大用戶提供準確可靠的仿真結(jié)果，支撐電機的設(shè)計方案。

06 結(jié)語：仿真驗證與設(shè)計支撐的價值落地

雙轉(zhuǎn)子軸向磁通電機作為高端裝備領(lǐng)域的核心動力部件，其性能優(yōu)化離不開精準的仿真技術(shù)支撐。

無論是為電機設(shè)計工程師提供優(yōu)化方向，還是為行業(yè)從業(yè)者展現(xiàn)先進仿真技術(shù)的應用價值，本案例都具有重要參考意義。

未來，隨著仿真技術(shù)的不斷迭代，雙轉(zhuǎn)子軸向磁通電機將在更多高端場景中實現(xiàn)性能突破，為產(chǎn)業(yè)升級注入強勁動力。