關於高性能電機電磁模擬軟體方案的分析

發電機是將其他形式的能源轉換成電能的機械設備，它由水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅動，將水流，氣流，燃料燃燒或原子核裂變產生的能量轉化為機械能傳給發電機，

再由發電機轉換為電能。常見的永磁同步發電機具有結構簡單、體積小、品質輕、運行可靠、效率高等優點，隨著永磁材料性能的不斷提升、價格的逐步降低，以及電力電子的發展，永磁同步電機在各行各業應用越來越廣泛，不管國防、工農業還是日常生活，永磁同步發電及都不失為一種好的選擇。

傳統電機設計中通常分為電路和磁路計算，但實際上電和磁均是由電磁場能量所得，

再加之材料的非線性特性，傳統演算法很難得到精確磁路結果，嚴重影響電機性能。隨著數值計算和電腦技術的發展，有限元模擬可獲得更精准的電機計算結果，提高研發效率，提升產品性能。

ANSYS高性能電機電磁模擬方案，經歷了旋轉電機設計專家RMxprt與通用電頻電磁場模擬軟體Maxwell獨立計算，RMxprt一鍵生成Maxwell有限元模擬模型等多次理論演算法與操作上的完善，在電機模擬領域地位不可動搖。

圖1為ANSYS Maxwell 2D永磁電機模擬模型，利用邊界條件，模擬物件為1/8模型，大大縮短了模擬時間，提高了研發效率。

圖1 Maxwell 2D電機模擬（1/8）模型

圖2 Maxwell 2D電機模擬場強雲圖

圖2為Maxwell 2D模擬的場強雲圖，通用的maxwell結果中包含電機的轉矩、轉速、三相電感、損耗等量。基於提升工程師研發效率、節省研發成本，同時也為了更方便的利用軟體處理電機設計中面臨的複雜的後處理問題，ANSYS提供了針對電機後處理開發的腳本程式UDO。

1、UDO的Average &RMS Solutions在發電機中的應用

UDO全名User Defined Outputs，即用戶自訂輸出。是基於開放式的Python語言，用於Maxwell2D和Maxwell 3D瞬態磁場求解器，

為電機（電動機和發電機均可）模擬應用開發的專業後處理腳本程式。利用Average&RMS Solutions，可以方便的得到電機輸入輸出功率，轉矩及其波動量，功率因數，DQ軸的電感、電流、磁通量等電磁性能資料。

Average & RMS Solutions的設置路徑為Maxwell2D/3D à Results à Create User Defined Solutions àElectric Machines Solutions à R16.2/16.1/16 àAverage & RMS Solutions（不同toolkits版本），介面如圖3所示。

圖3 Average & RMS Solutions的設置方法

Average & RMS Solutions的結果查看操作為Maxwell2D/3D à Results à Create User Defined Report àRectangular Plot/Data Table/…，介面如圖4所示。

圖4 Average & RMS Solutions的結果查看操作方法

圖5-7為Average & RMS Solutions的部分結果。

圖5 不同電流值對應的DQ軸電感值

圖6 不同電流值對應的DQ軸電流值

圖7 不同電流值對應的轉矩及轉矩波動量

2、外電路參數化在同步永磁發電機中的應用

永磁發電機省去了滑環，更需要變頻器等外電路的配合。發電機的外部電路可以利用Maxwell Circuit外電路編輯器進行編輯（複雜電路需與Simplorer耦合模擬）。電路中器件的參數值可以設置為變數（例如發電機帶不同感性負載的工況，可以將電阻或電感值設置為變數），並且該電路變數可以導入Maxwell有限元模型，便於進行發電機不同外部電路工況對電機本體性能影響的參數化/優化分析，並保證模擬精度。

操作方法：首先在外電路中將器件參數設為變數，在傳遞給Maxwell時，需在導入外電路*.sph時的對話方塊第4個選項卡的參數框中進行變數的確認與轉換，將第三列Value值設置為在Maxwell中對應的變數名稱即可，具體設置如圖8-9所示，之後便可實現外電路中電信號與Maxwell有限元模型的激勵源同步變化的功能。

圖8 外電路變數設置

圖9 外電路變數傳遞到Maxwel參數設置方法

利用Average& RMS Solutions和外電路參數化，可以提升發電機工程師研發效率、節省研發成本，更方便的利用軟體處理電機設計中面臨的複雜的後處理問題。

圖7 不同電流值對應的轉矩及轉矩波動量

2、外電路參數化在同步永磁發電機中的應用

永磁發電機省去了滑環，更需要變頻器等外電路的配合。發電機的外部電路可以利用Maxwell Circuit外電路編輯器進行編輯（複雜電路需與Simplorer耦合模擬）。電路中器件的參數值可以設置為變數（例如發電機帶不同感性負載的工況，可以將電阻或電感值設置為變數），並且該電路變數可以導入Maxwell有限元模型，便於進行發電機不同外部電路工況對電機本體性能影響的參數化/優化分析，並保證模擬精度。

操作方法：首先在外電路中將器件參數設為變數，在傳遞給Maxwell時，需在導入外電路*.sph時的對話方塊第4個選項卡的參數框中進行變數的確認與轉換，將第三列Value值設置為在Maxwell中對應的變數名稱即可，具體設置如圖8-9所示，之後便可實現外電路中電信號與Maxwell有限元模型的激勵源同步變化的功能。

圖8 外電路變數設置

圖9 外電路變數傳遞到Maxwel參數設置方法

利用Average& RMS Solutions和外電路參數化，可以提升發電機工程師研發效率、節省研發成本，更方便的利用軟體處理電機設計中面臨的複雜的後處理問題。