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2015產品創(chuàng)新數(shù)字化征文：基于Maxwell的高性能永磁電機和控制系統(tǒng)仿線來源：編輯：拓步ERP資訊網瀏覽：評論
本文基于CAE行業(yè)領導地位的有限元電磁場數(shù)值計算仿真工具ANSYSMaxwell和系統(tǒng)工具ANSYSSimplorer，采用最新版本軟件功能研究分析永磁同步電動機磁鋼渦流損耗的精確計算、與控制電路的場路協(xié)同仿真等熱點問題，提升機電系統(tǒng)性能和產品開發(fā)效率。
2015產品創(chuàng)新數(shù)字化征文：基于Maxwell的高性能永磁電機和控制系統(tǒng)仿線來源：e-works作者：莊百興
現(xiàn)代高性能永磁電機主要由永磁電機本體和驅動控制器構成，永磁同步電動機具有結構簡單、體積小、重量輕和高效節(jié)能等一系列優(yōu)點，近年來得到了迅速發(fā)展。高性能稀土永磁材料的出現(xiàn)，其優(yōu)越的磁性能和相對較低的價格，使得高性能永磁同步電機的開發(fā)和研究成為世界各國的熱點，并在國防、工農業(yè)生產和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應用。永磁電機，特別是內嵌磁鋼轉子永磁電機（IPM），其結構復雜，傳統(tǒng)的磁路法已經無法準確計算磁路和電機性能，需要借助高性能的有限元磁場求解工具提升仿真精度和效率。同時，高性能永磁電機應用在調速、伺服控制等場合，在電機產品開發(fā)初期需要結合控制電路和逆變器系統(tǒng)考慮設計和優(yōu)化電機性能。
永磁電機轉子與定子基波磁勢是同步旋轉的，因此通常計算中忽略轉子內的永磁體渦流損耗。而實際永磁電機中，由于存在齒槽效應，且繞組磁動勢的非正弦分布，或者由PWM逆變器引入高次諧波電流等，均會產生諧波磁勢，從而導致基波轉速下的轉子永磁體及固定永磁體的金屬護套中引起渦流損耗。通常情況下，與電機定子的繞組銅線損耗和鐵損相比，轉子磁鋼渦流損耗占比很小。但是，由于轉子散熱條件相對封閉，熱量不容易散發(fā)，磁鋼渦流損耗可能會引起磁鋼內局部高溫升，從而引起永磁體局部熱退磁。特別是燒結釹鐵硼（NdFeB）具有較大電導率和較低的居里溫度，更需要特別計算渦流損耗和校核溫升。因此，設計永磁電機初期，就需要精確計算磁鋼渦流損耗，保證電機磁鋼穩(wěn)定的熱性能。
永磁體的損耗，主要由氣隙高次諧波含量在磁鋼中感應渦流導致，因此，準確計算高次諧波在永磁體中的趨膚深度是精確計算磁鋼渦流損耗的前提保證。本文采用Maxwell有限元計算直接計算磁鋼損耗，而電磁場問題實現(xiàn)數(shù)值求解的一個關鍵步驟就是網格剖分。因此網格剖分的規(guī)模和質量直接影響數(shù)值計算的精度、效率和經濟性。
對于較高頻率的高次諧波電磁場有限元分析，計算磁鋼渦流損耗首要考慮到其趨膚深度的影響。當磁場進入磁鋼表面以內時，其最大值按指數(shù)規(guī)律衰減，因此，隨著深度的增加，磁場也將按指數(shù)規(guī)律衰減。磁場在導體內的趨膚深度，可由公式1進行計算：
ANSYS Maxwell提供了軟件的易用性和方便性，能夠自動依據(jù)磁鋼材料、銅線等導電材料的電導率，在指定頻率下自動計算趨膚深度，如圖1所示銅線的Skin Depth的數(shù)據(jù)由軟件自動功能自動計算出在1kHz下趨膚深度為2.0898mm，并分為4層。
經典有限元算法為了能夠達到較高的計算精度，在趨膚深度內劃分的有限元網格一般來說必須足夠小。但是太小的網格會增加計算機運算開銷，因此ANSYS Maxwell R16中改進了趨膚深度的TAU網格剖分技術，優(yōu)化后的趨膚深度網格能夠在法向方向上體現(xiàn)網格極小尺寸，而垂向量方向網格尺寸依然可以足夠大，既可以明顯降低網格數(shù)量，又節(jié)約運算資源，數(shù)值計算結果精度與傳統(tǒng)網格技術相當，非常適合磁鋼渦流損耗仿線所示，在二維有限元中，與傳統(tǒng)有限元算法比較，網格數(shù)量減少到二十分之一，同樣能獲得幾乎等值的計算精度，計算效率卻成倍顯著提高，所以ANSYS Maxwell R16.0新的TAU網格剖分技術優(yōu)勢非常明顯。
永磁電機往往由多個磁極組成，且具有周向對稱性，且電機定子鐵芯、轉子鐵芯、磁鋼等，軸向具有拉伸對稱性，為了更進一步減小網格數(shù)量，ANSYS Maxwell R16在2D和3D中分別引進了全新的網格克隆技術（Clone Mesh），從周向和軸向分別減少網格剖分數(shù)量，提高網格復用性和對稱性。
如圖3所示，打開Clone Mesh選項，定義4極電機父磁鋼幾何位置的扇形區(qū)域，設置此區(qū)域內的Skin Depth選項，生成網格后的效果如圖3右側所示，4個磁鋼中除扇形區(qū)域之外的3個磁鋼網格直接網格克隆而來，所以4個磁鋼的網格完全相同。值得注意的是，盡管磁鋼的網格克隆而來，但是僅針對初始網格，如果使用Maxwell自動自適應網格剖分技術迭代網格，則迭代后的4個磁鋼網格不再是網格克隆關系，且Maxwell有限元矩陣運行時所有網格節(jié)點均參與計算。
當采用Maxwell 3D Clone Mesh技術后，電機模型軸向網格更趨于統(tǒng)一，能大規(guī)模降低3D模型的網格量，如圖4所示，Maxwell 3D Clone Mesh使用前后網格對比圖，改善后的網格數(shù)量只有傳統(tǒng)網格數(shù)量的63%。
在網格技術改進的同時，Maxwell求解算法也致力與提升求解效率，不斷加強的高性能并行求解技術（ANSYS HPC）為大型三維模型的求解提供了高效運算技術，相對于單核技術，多核并行求解，可以獲得線性加速效果。即使不使用多核并行求解技術，Maxwell新算法也能顯著提升運算效率，表2統(tǒng)計了Maxwell 十年來計算效率提升水平，幾乎提升了60倍。
永磁電機調速時需要結合控制電路考慮逆變電流對電機的控制和性能影響，為了將Maxwell 2D/3D電磁模型和控制電路模型耦合分析，ANSYS Simplorer提供了無與倫比的實時耦合-場路協(xié)同仿真技術。然而，Maxwell 3D直接與Simplorer實時耦合仿真時，由于時間步長由Simplorer控制，實時計算時電腦CPU和內存開銷大，因此為了快速求解場路耦合問題，ANSYS提供了獨有的Maxwell 2D/3D有限元模型降階輸出功能。
ANSYS MaxwellR16軟件中開發(fā)的獨特降階ECE模型輸出功能，直接在瞬態(tài)磁場外電路中引入ECE控制模塊，通過定義Maxwell circuit editor中三相電機的ECE3_model和ECER_model，快捷抽取電機的E-Model模型。ECE抽取工作直接由Maxwell軟件自動完成，僅需要分別對ECE3_model和ECER_model定義參數(shù)。如圖5所示，其中Windings輸入電流掃描的繞組，以逗號相隔；CurrentSweeps定義電流掃描值和范圍，圖示意義為以0電流為中間值，正負各掃描5個點，電流值間隔2A。圖6顯示了ECER_model的定義和使用，其中RotAngMax是最大掃描角度，對于三相電機而言只需要60度電角度，這里需要填入機械角度；RotAngIntervals定義角度掃描的點數(shù)。在本例中，角度周期是30度、掃描30個點；2相電流各掃描11個點，所以總的計算點數(shù)是11*11*30=3630點，即在Maxwell瞬態(tài)場中會計算3630個時間點，啟動仿真后自動計算并輸出降階模型，不需要手動操作，十分方便。
求解完成后，在Maxwell對應的result結果文件夾下會自動生成一個ece_model.sml文件，直接輸入到ANSYS Simplorer控制電路系統(tǒng)工具中。本論文案例永磁電機為圖3所示電機模型，在Maxwell中定義5*sin(2*pi*50*time)電流源激勵輸入。
ANSYS Simplorer中構建與Maxwell輸入相同電流源控制電路，如圖8所示，仿真相同電流激勵下Maxwell直接輸出結果，以及Simplorer中ECE模型輸出結果，對比驗證ECE模型計算精度。圖8 Simplorer三相電流源控制電路
圖9和圖10分別輸出轉矩和C相反電動勢波形對比，實線為Simplorer耦合仿真波形，虛線為Maxwell仿真結果的波形導入到Simplorer中，從波形對比可知，二者吻合度極高，從而驗證了ECE降階模型的精確度。而此狀態(tài)下Simplorer的仿真速度非?？?，數(shù)秒時間便已經完成，僅為Maxwell仿真時間的幾十分之一，大大提高了永磁電機仿真分析中場路耦合協(xié)同仿真的時效性和可行性，以便研究高保真永磁電機模型下的各種復雜控制電路和控制策略。
本文闡述了基于高速發(fā)展的CAE工程仿真領域領導企業(yè)ANSYS有限元電磁場數(shù)值計算工具，運用Maxwell和Simplorer 2015年R16新版本，對高性能永磁電動機磁鋼渦流損耗計算、與控制電路場合協(xié)同等研究熱點應用進行分析，提供高效仿真分析方法和手段，以便提升永磁電機設計性能和提高產品仿真能力，最終加速產品上市時間。
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