Magneforce電機設計模擬軟體由美國Magneforce Software Systems INC公司研製開發， 是專注于快速設計開發各型電機產品的專業軟體。 Magneforce軟體採用基於時步法的有限元（FEA）進行電機電磁參數的設計和模擬， 同時Magneforce內部耦合了基於spice的驅動電路系統， 可以精確地對電機的電磁場和控制系統的性能進行分析與評估。
該軟體採用了全自動的有限元前後處理技術， 可自動處理包括模型網格剖分， 邊界和激勵源的添加， 求解器設置， 參數後處理以及電磁參數雲圖處理等全部的有限元環節。 Magneforce採用參數化的建模方式， 並提供和不斷更新各型定轉子以及磁鋼的參數化模型，
圖1 目標電機參數
對於新型永磁電機的設計， 在電機本體設計時必須考慮控制方式以及控制系統對電機的影響， 甚至控制體系對電機本體的設計起到決定性的作用。 Magneforce軟體中集成了豐富的SPICE控制電路模組， 可以實現多種開環或者閉環的PWM調製驅動模式， 例如， 可調速BLDC的方波控制， 永磁電機的最大轉矩電流比控制和弱磁控制等多種控制方式。 本文將以微型電動車驅動電機作為實例， 演示Magneforce軟體針對永磁電機的具體設計流程和操作步驟， 電機設計參數如圖1所示。
1.1 Magneforce電機設計的模組化流程
圖2 模組化設計流程
Magneforce採用模組化設計流程， 所有的電機設計可以參考圖2中的流程執行， 設計面板和求解器中的專案會根據電機類型自動調整。
1.2 設置
圖3 材料曲線編輯和有限元設置
設置介面主要用來添加和修改材料參數，
1.3 Magneforce網格剖分技術
Magneforce採用自我調整剖分技術， 自我調整網格足以滿足模擬精度的要求。 另外， 如圖4所示， 軟體提供了三種網格控制的方法方便用戶優化網格剖分。
圖4 網格剖分控制方法
1.4 參數化建模
Magneforce採用參數化模型庫的方式實現電機有限元模型的快速建立， 模型庫中收錄
圖5 參數化建模以及Dxf模型導入
了豐富的定轉子模型。 同時， 軟體也支援客戶導入dxf格式的模型檔實現沖片建模。 和其他軟體一樣， dxf導入的模型無法實現參數化的修改， 不利於沖片幾何尺寸的優化。
Magneforce軟體支援客戶設置自訂的參數化模型， 並提供詳細的文檔資料。 本案例中我們就使用了自訂的參數化模型， 圖6所示。 轉子模型採用的是外圓經過特殊設計的V型磁鋼結構。 利用説明文檔， 定義特徵參數， 用dll的方式就可以實現這種自訂的轉子參數化模型。 所有的特殊模型都可以用這種方法實現參數化設計。
圖6 自訂參數化模型
1.5 材料和繞組
圖7 材料設置
圖8 繞組設置
1.6 開路參數計算
開路參數主要模擬電機在反驅狀態下的本征特性，求解器設置如圖9所示，其中TRotPm 代表磁鋼溫度。軟體會自動給出反電勢、磁鏈、電感和齒槽轉矩的計算結果以及包括反電勢，鐵耗等參數計算和分析結果的匯總輸出，如圖9，圖10，圖11所示
圖9 開路參數求解器設置電感磁鏈計算結果以及電機特性輸出
圖12顯示的是反驅時磁密、鐵耗、磁力線和氣隙磁密的雲圖和曲線，該資料均來自Field Explorer模組。該模組中還可以查看網格分佈，任意節點的磁參數以及磁鋼剩磁大小等功能，在此不一一贅述。
圖10 反電勢曲線
圖11 齒槽轉矩
圖12 參數雲圖以及氣隙磁密
1.7 Ld和Lq參數計算
Magneforce中集成了Ld以及Lq參數的計算功能，且計算結果自動輸出。Ld和Lq參數的計算方法採用的是經典的凍結磁導率計算法。所有的LoadTest模式中均會自動計算
Ld和Lq的參數大小。圖13中演示了使用理想電流源，通過調整Id和Iq電流的大小來模擬Lq和Lq隨電流大小變化關係的方法。
圖13 Ld 和Lq計算
1.8 理想電壓源驅動下電機負載特性的模擬
理想電壓源驅動模式下，通過設置驅動電壓以及功角大小就可以模擬經典的功角特性曲線，如圖14所示。
圖14 理想電壓源驅動下電機功角特性
1.9 理想電流源驅動下電機負載特性的模擬
在理想電流源驅動模式下，可以模擬不同的電流與反電勢夾角對電機輸出的影響。對內嵌式磁鋼設計的電機，也可以評估不同驅動電流對應的最大轉矩電流比模式的id和iq之間的比例關係。模擬流程如圖15所示。
圖15 電流與反電勢夾角對電機輸出的影響
1.10 SPICE驅動電路設置
SPICE驅動電路的搭建如圖16所示，功率管的控制和PWM參數的設置如圖17所示。
圖16 SPICE驅動電路
圖17 功率管和PWM設置
Magneforce中遵循特定的位置定義規則，以方便SPICE和有限元之間的耦合。圖18說明了Magneforce中最重要的三個角度的定義。
圖18 轉子位置角、相角、提前導通角
1.11 基於SPICE驅動模組的向量控制模擬
利用SPICE模組強大的電路模擬功能，可以在Magneforce中實現基於dq軸電流閉環回饋的電機向量控制性能模擬。其中dq軸電流的目標值可以參考1.9節中理想電流源驅動的計算結果。需要注意的是，理想電流源驅動時不考慮直流母線的大小，所以在SPICE驅動中評估系統可行性的重要依據就是PWMIndx，即占空比。模擬計算的流程如圖19所示。開關頻率，電流環PI以及SPICE模擬設置需根據實際情況調節。
圖19 dq軸電流回饋控制以及不可逆退磁預估
Magneforce中集成了不可逆退磁預估的功能，通過選擇Dmag Prediction (圖19中藍色框標記位置，計算結果中就會自動顯示每塊磁鋼發生不可逆退磁的比例。圖20 顯示了Load1恒速工況電流閉環驅動時Id、Iq和Vd、Vq的曲線，曲線的形狀與開關頻率，PI參數以及spice電路設置相關。圖22顯示了各個工況的詳細計算結果。
圖20 不同驅動模式下的模擬結果
圖21 Id、Iq、Vd、Vq
圖22 各個工況的詳細輸出
1.12 特性MAP
電動汽車用永磁電機的設計必須考慮到各個工況下電機的性能，在Magneforce中可以使用理想電流驅動和SPICE驅動系統完成電機特性的計算。SPICE驅動方式由於涉及到控制電路模擬計算速度會比較慢。
另外需要注意的是，Magneforce本質上仍然是一款有限元軟體，所有工作點的求解必須使用有限元來完成，所以Map計算會比較耗時。但是，spice驅動加電磁有限元分析計算得到的特性Map更接近實際工況，結果也更準確。
圖23 SPICE驅動下電機特性Map的計算
圖6 自訂參數化模型
1.5 材料和繞組
圖7 材料設置
圖8 繞組設置
1.6 開路參數計算
開路參數主要模擬電機在反驅狀態下的本征特性，求解器設置如圖9所示，其中TRotPm 代表磁鋼溫度。軟體會自動給出反電勢、磁鏈、電感和齒槽轉矩的計算結果以及包括反電勢，鐵耗等參數計算和分析結果的匯總輸出，如圖9，圖10，圖11所示
圖9 開路參數求解器設置電感磁鏈計算結果以及電機特性輸出
圖12顯示的是反驅時磁密、鐵耗、磁力線和氣隙磁密的雲圖和曲線，該資料均來自Field Explorer模組。該模組中還可以查看網格分佈，任意節點的磁參數以及磁鋼剩磁大小等功能，在此不一一贅述。
圖10 反電勢曲線
圖11 齒槽轉矩
圖12 參數雲圖以及氣隙磁密
1.7 Ld和Lq參數計算
Magneforce中集成了Ld以及Lq參數的計算功能，且計算結果自動輸出。Ld和Lq參數的計算方法採用的是經典的凍結磁導率計算法。所有的LoadTest模式中均會自動計算
Ld和Lq的參數大小。圖13中演示了使用理想電流源，通過調整Id和Iq電流的大小來模擬Lq和Lq隨電流大小變化關係的方法。
圖13 Ld 和Lq計算
1.8 理想電壓源驅動下電機負載特性的模擬
理想電壓源驅動模式下，通過設置驅動電壓以及功角大小就可以模擬經典的功角特性曲線，如圖14所示。
圖14 理想電壓源驅動下電機功角特性
1.9 理想電流源驅動下電機負載特性的模擬
在理想電流源驅動模式下，可以模擬不同的電流與反電勢夾角對電機輸出的影響。對內嵌式磁鋼設計的電機，也可以評估不同驅動電流對應的最大轉矩電流比模式的id和iq之間的比例關係。模擬流程如圖15所示。
圖15 電流與反電勢夾角對電機輸出的影響
1.10 SPICE驅動電路設置
SPICE驅動電路的搭建如圖16所示，功率管的控制和PWM參數的設置如圖17所示。
圖16 SPICE驅動電路
圖17 功率管和PWM設置
Magneforce中遵循特定的位置定義規則，以方便SPICE和有限元之間的耦合。圖18說明了Magneforce中最重要的三個角度的定義。
圖18 轉子位置角、相角、提前導通角
1.11 基於SPICE驅動模組的向量控制模擬
利用SPICE模組強大的電路模擬功能，可以在Magneforce中實現基於dq軸電流閉環回饋的電機向量控制性能模擬。其中dq軸電流的目標值可以參考1.9節中理想電流源驅動的計算結果。需要注意的是，理想電流源驅動時不考慮直流母線的大小，所以在SPICE驅動中評估系統可行性的重要依據就是PWMIndx，即占空比。模擬計算的流程如圖19所示。開關頻率，電流環PI以及SPICE模擬設置需根據實際情況調節。
圖19 dq軸電流回饋控制以及不可逆退磁預估
Magneforce中集成了不可逆退磁預估的功能，通過選擇Dmag Prediction (圖19中藍色框標記位置，計算結果中就會自動顯示每塊磁鋼發生不可逆退磁的比例。圖20 顯示了Load1恒速工況電流閉環驅動時Id、Iq和Vd、Vq的曲線，曲線的形狀與開關頻率，PI參數以及spice電路設置相關。圖22顯示了各個工況的詳細計算結果。
圖20 不同驅動模式下的模擬結果
圖21 Id、Iq、Vd、Vq
圖22 各個工況的詳細輸出
1.12 特性MAP
電動汽車用永磁電機的設計必須考慮到各個工況下電機的性能，在Magneforce中可以使用理想電流驅動和SPICE驅動系統完成電機特性的計算。SPICE驅動方式由於涉及到控制電路模擬計算速度會比較慢。
另外需要注意的是，Magneforce本質上仍然是一款有限元軟體，所有工作點的求解必須使用有限元來完成，所以Map計算會比較耗時。但是，spice驅動加電磁有限元分析計算得到的特性Map更接近實際工況，結果也更準確。
圖23 SPICE驅動下電機特性Map的計算