电机工程创新实践

这门课本来应该是在寒假一起修的短学期课程，但是hxy老师把它放到冬学期上了。一周一节，一共四节课左右，剩下的时间自己做大作业。但奈何本人最近一直在实习….
这门课的要求是设计一个小型电机，体验一下设计流程。不过真正在工程实践中电机的设计流程并不如此（以至于黄老师自己都不会用ANSYS），本人也没有进行什么优化，反正看上去还行。本篇文章走一下hxy老师的设计流程。
课不用怎么听，基本靠自学
本人不会设计电机

1. 基本电机参数设计

这块跟大三下学期学的电机设计区别不太大，不过不需要搞得那么复杂，只需要设计几个基本的参数就行了。黄老师的PPT里有流程示范，基本跟着她那个走就行（顺带一提，黄老师基本不看钉钉但是微信秒回，所以催她发文件最好微信）

1.1 主要尺寸关系式

先根据设计要求，找到电机的转矩、转速、电压要求。

根据电机基本尺寸关系式（分子6.1那个，详见电机设计）计算电枢外径\(D_0\)。其中：

A可以取值在15~50 × 10³ A/m
\(B_{\delta}\)可以取值在0.6~0.8 T
\(\alpha_p\)可以取值在0.7左右
\(K_{nm}\)取值在1.1，\(K_{dp}\)取值在0.92或0.96
尺寸比\(\lambda\)可以取得很小（因为我设计的是机器人关节电机，所以取的0.1左右，D比l大很多）

然后确定内转子还是外转子。黄老师设计的是外转子，我是内转子。内转子可以参考电机设计这本书的例程，定子内径（即约为转子外径）大概就是外径的0.6~0.8，反正这个要求不是特别大，最终大概设计出来定子轭部跟定子齿的宽度差不多就行（轭部可以细一点）

这里我的参数大概是80,50（仅供参考）。转子内径要求不大，给转子轭部稍微留点空间。一般设计个30以上吧，这个对电机性能影响很小，尽量让转子轭部薄一点。

1.2 槽极配合

hxy老师的PPT上有两个表格，分别是不同槽极配合下的绕组系数和谐波与噪声（这两个表横纵坐标反了别看岔），谐波选数字稍微大一点（意思就是谐波小），绕组系数大一些。一般都是分数槽集中绕组，一些比较经典的设计比如12s10p，12s9p等等，对这些槽极配合等比例放大（比如我用的24s20p）也是个不错的选择。我看有人说24s20p的波形没有特别好，他用的好像有三十多极，具体我有点记不清了。反正这么大的电机，极数二三十差不多了，电机越大可以把极对数增大。

1.3 材料选型

我是不会一点，老师选啥我选啥，抄PPT的

1.4 槽型设计

我是不会一点，《电机设计》选啥我选啥。把他在第十章设计的槽等比缩放一下（按照电枢直径）就是我的槽了！（免责声明：吴立建上课也是这么说的）

好的，现在你就非常粗略的设计完电机了（没事，没设计的部分ANSYS会帮你设计的）

2. RMxprt 建模

给一个参考链接，可以跟着他做一下建模，数据用自己的就好：https://www.bilibili.com/video/BV1cN411r7Wu

推荐用参数化建模，如左下角红线所示，这样之后做参数扫描比较方便。
如果一些必填的参数你不知道怎么取，可以参考黄老师PPT中的取法（但也不一定对），这里给点参考：永磁体厚度可以在2mm左右，气隙可以在1mm左右（黄老师取的2mm太大了）
windings的参数设计慎填，因为你可能会设计的一坨屎（没错我一开始就是这样），把必要的几个填一下，比如并联支路数是1还是2，剩下的丢给他自己设计吧，比如匝数、线径啥的。不合适后面再改。
黄老师会发一个电机设计报告的word模板，如果第三四节课后还没发，记得找她要。对着那个报告做会轻松很多。做完上面这几步，你已经可以填写表1.1和表1.2了。

3. Maxwell 建模与仿真

使用setup创建Maxwell2D模型，绝大部分仿真都需要在Maxwell里面跑，原因是RMxprt里面的仿真只能是 Constant Power，但是我们需要的是用电流源来进行仿真。

不要立刻进行仿真。

3.1 磁场：磁密云图、磁力线分布与气隙磁密

ctrl+A 全选，右键选择plot mesh进行剖分，在左侧的Field Overlays里面可以看到剖分图。如果剖分没有出来的话，双击一下电机模型的左下角，有一个Time=0的东西，双击完成就能看到了。然后分别进行A和B的调用。

如下图所示，画一条气隙线，原点在电机圆心，半径刚好穿过气隙。画完后只用保留线，把coverlines删了

如下图所示，添加气隙磁密。气隙磁密一共两个，径向\(B_r\)和切向\(B_t\)，所以一共添加两次，就是在第二步操作中分别选择切向Target和径向Normal，然后分别命名Bt和Br就行。步骤用蓝色标出。

接着进行仿真设置，右键setup1选择properties进行设置，为了少跑几个周期，可以减小一点总时间。时间设多少随你，大概三个周期就够。上面那个100可以减小点，20,50啥的都行，具体含义自己看英文。

在仿真之前，非常重要的一部是如下图所示进行设置，从电压源改成电流源。具体数值要根据设计的电机参数进行更改。BC相减/加三分之二π就行。一开始I0设置成0模拟空载，n设置成额定转速。

开始仿真！

为了查看气隙磁密，分别进行下面两步操作。其中第二张图的7200是取点的数量，越多越慢，我感觉1440之后区别不大了，尽量设成个360的倍数就行。查看气隙磁密并填入图4.3中。

在左侧的Field Overlays里面可以看到磁密云图、磁力线分布，填入图4.1，4.2中。右键Result选择FFT，如下

最后怎么处理的数据自己去查。

3.2 电场：感应电势与电流

齿槽转矩就是输入电流为0时的点击转矩，可以直接看自带的Torque曲线就行了

感应电压曲线也是。由于本实验要求输入电压最低30V，因此感应电动势不能超过这个数值，否则需要额外的控制。如果超过了，则需要减少线圈匝数cond，其可以在左下角的variable里面找到。此外，如果这个比较不正弦的话可能需要调整一下其它参数。如果需要减少匝数的话，那就需要增加绕线截面积了（为了确保电流一样）。为了应付教学，可以直接把原来的线径按比例放大（平方关系），但实际中涉及到选型是不能这么做的。

磁链、电感和电阻也是一样的，自己去调一下Result里面的数据（低情商：我也是猜的）

至于怎么调曲线：Result - Create Transient Report - Create Rectangular Report

3.3 负载特性

首先先进行参数扫描，如下

对新得到的ParameterSetup1进行分析Analyze，由于扫的点数很多，所以可能耗时很久。然后如下图所示进行转矩-电流曲线的扫描。需要注意的是，如果之前更改过cond（匝数），那么他在仿真的时候会把两种cond都仿真一次，所以可以在families里面把cond换成你需要的那个，而不是all