1 前言

感謝西莫電機(jī)圈給Magneforce軟件一個(gè)窗口，讓越來(lái)越多的電機(jī)界同仁了解到這一款小眾的電機(jī)設(shè)計(jì)和仿真軟件。一直以來(lái)，我們通過(guò)《西莫電機(jī)技術(shù)》這個(gè)高技術(shù)含量的電子期刊分享了很多Magneforce軟件在電機(jī)設(shè)計(jì)仿真方面的功能。為了向各位同學(xué)全面展示Magneforce在電機(jī)設(shè)計(jì)方面的功能，特意準(zhǔn)備了一篇概述與大家分享。

圖1 模塊組成以及主要功能

Magneforce是一款由電機(jī)工程師構(gòu)想和開(kāi)放的電機(jī)設(shè)計(jì)軟件。提供了旋轉(zhuǎn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的完整解決方案，在一個(gè)仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了電機(jī)建模、電磁場(chǎng)有限元計(jì)算和驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)字模擬仿真。為了適應(yīng)電機(jī)工程師使用Magneforce軟件做了大量封裝和前后處理工作。圖1所示是Magneforce軟件的主要模塊以及功能。在電機(jī)設(shè)計(jì)仿真方面有如下特點(diǎn)：

·輸入輸出使用電機(jī)工程師的“語(yǔ)言”

·基于模塊設(shè)計(jì)和參數(shù)化輸入的電機(jī)建模，并提供模板完成快速建模

·基于時(shí)步有限元進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合電機(jī)的具體問(wèn)題改進(jìn)和優(yōu)化算法

·電機(jī)和驅(qū)動(dòng)聯(lián)合仿真，不需要額外的仿真步驟或軟件

·包括完備和不斷更新的材料數(shù)據(jù)庫(kù)

·自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)

·功率變換器電路與電機(jī)集成設(shè)計(jì)環(huán)境

·多方位的用戶(hù)數(shù)據(jù)接口

·開(kāi)放的用戶(hù)建模模塊

·提供翔實(shí)的參數(shù)和電磁量波形、 電磁場(chǎng)分布

Magneforce軟件中集成了兩種不同的有限元計(jì)算方法，分別被稱(chēng)為StepLoad Solution和Transient Solution。如圖2所示，Transientsolution是指驅(qū)動(dòng)電源與時(shí)步有限元模型直接耦合，電流和磁參數(shù)的非線性處理都在FEA過(guò)程中進(jìn)行，仿真耗時(shí)比較長(zhǎng)而且無(wú)法分析PWM調(diào)制的驅(qū)動(dòng)方式。Magneforce軟件run界面中的Transient單元就是使用這種方式進(jìn)行電機(jī)的仿真。

圖2 兩種時(shí)步有限元計(jì)算方法

Step Load Solution采用完全不同的求解思路，在SPICE中搭建驅(qū)動(dòng)電路，用有限元計(jì)算得到的電感和磁鏈參數(shù)代入SPICE中求解對(duì)應(yīng)的繞組電流，然后再將計(jì)算得到的電流反饋的有限元求解中再次計(jì)算磁鏈和電感參數(shù)的變化，電感和磁鏈的結(jié)果會(huì)繼續(xù)反饋到SPICE得到最新的電流結(jié)果，循環(huán)迭代，直到SPICE和有限元的計(jì)算結(jié)果都收斂為止。

圖3 顯示了實(shí)現(xiàn)Step Load Solution方式的理論基礎(chǔ)，經(jīng)典的電機(jī)控制方程和SPICE與時(shí)步有限元耦合的微分電路。由于電流參數(shù)的計(jì)算是在SPICE電路中進(jìn)行，求解步長(zhǎng)將不再受到有限元的影響，可以模擬計(jì)算PWM調(diào)制的驅(qū)動(dòng)源。通過(guò)FEA反饋回來(lái)的轉(zhuǎn)子位置，增加電流環(huán)以及速度環(huán)調(diào)節(jié)器后就可以實(shí)現(xiàn)不同控制模式下永磁電機(jī)性能的仿真。

圖3 Step-load方式說(shuō)明

MagneForce的軟件架構(gòu)允許用戶(hù)訪問(wèn)中間結(jié)果。 例如，用戶(hù)可以訪問(wèn)MagneForce磁場(chǎng)結(jié)果，以用于整個(gè)系統(tǒng)的模擬。 在這種情況下，MagneForce被作為一個(gè)詳細(xì)的機(jī)器特定的有限元模型來(lái)操作，但比簡(jiǎn)單的集中參數(shù)模型具有更好的準(zhǔn)確性。 這樣的鏈接可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)的（參考之前的期刊“Magneforce與Simulink實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合仿真功能的應(yīng)用”）。MagneForce允許用戶(hù)訪問(wèn)中間結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析和仿真。 例如，例如加入自己的鐵耗模型進(jìn)行鐵耗分析，或者加入自己的熱網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行散熱分析 。MagneForce允許用戶(hù)定義自己的參數(shù)化幾何模型（參考之前的期刊“Magneforce用戶(hù)自定義參數(shù)化模型功能的應(yīng)用”）。

2 電機(jī)設(shè)計(jì)和仿真流程

圖4 Magneforce軟件模塊化設(shè)計(jì)流程

圖4是典型的Magneforce的電機(jī)設(shè)計(jì)流程，Setting單元主要用于材料設(shè)置以及有限元相關(guān)的參數(shù)設(shè)置。Design單元主要設(shè)計(jì)幾何模型，繞組，驅(qū)動(dòng)電路以及機(jī)械參數(shù)。Run單元是Magneforce封裝好的針對(duì)不同電機(jī)的各種求解器。Results和Field Explorer是計(jì)算和仿真結(jié)果的輸出單元，用于評(píng)估設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果。

圖5 材料曲線編輯和有限元設(shè)置

設(shè)置界面主要用來(lái)添加和修改材料參數(shù)，主要包括永磁材料退磁曲線以及溫度系數(shù)，軟磁材料磁化曲線以及不同頻率下的損耗曲線。有限元設(shè)置項(xiàng)目主要包括有限元的階次、快速網(wǎng)格密度控制以及3D修正系數(shù)的設(shè)置。其中，3D修正系數(shù)主要用來(lái)修正由于端部效應(yīng)造成的有效鐵芯長(zhǎng)度的偏差。

圖6 參數(shù)化建模

Magneforce采用參數(shù)化模型庫(kù)的方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)有限元模型的快速建立，如圖6所示。模型庫(kù)中收錄了豐富的定轉(zhuǎn)子模型。圖7所示為部分收錄的參數(shù)化模型。同時(shí)，軟件也支持客戶(hù)導(dǎo)入dxf格式的模型文件實(shí)現(xiàn)沖片建模。和其他軟件一樣，dxf導(dǎo)入的模型無(wú)法實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的修改，不利于沖片幾何尺寸的優(yōu)化。Magneforce軟件支持客戶(hù)設(shè)置自定義的參數(shù)化模型，并提供詳細(xì)的文檔資料。（參考之前的期刊“Magneforce用戶(hù)自定義參數(shù)化模型功能的應(yīng)用”）。

圖7 參數(shù)化模型庫(kù)

Magneforce的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)搭建非常簡(jiǎn)便，電流環(huán)和速度環(huán)等功能模塊已經(jīng)在后臺(tái)封裝好了。有限元計(jì)算結(jié)果以Winding模塊的方式加入驅(qū)動(dòng)電路中，如圖8所示。利用Magneforce提供的電源、電阻、電感、電容、開(kāi)關(guān)管等元件，以及電流表、電壓表等測(cè)試部件，用戶(hù)可以自己搭建各種各樣的驅(qū)動(dòng)電路。Magneforce的逆變電路主要由位置控制的開(kāi)關(guān)管以及續(xù)流二極管組成。通過(guò)設(shè)置開(kāi)關(guān)管的不同驅(qū)動(dòng)邏輯即可實(shí)現(xiàn)不同的功能，更多詳細(xì)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置方法可以參考“基于Magneforce的BLDC/PMSM驅(qū)動(dòng)仿真方法”一文。

圖8 基于Spice的驅(qū)動(dòng)性能仿真

圖9 多種驅(qū)動(dòng)方式示意

圖9所示為利用spice電路完成的多種電機(jī)驅(qū)動(dòng)工況以及測(cè)試工況的分析。其中包括PWM調(diào)制驅(qū)動(dòng)，方波驅(qū)動(dòng)，全橋整流等常規(guī)驅(qū)動(dòng)電路。以及倍壓整流電路等特殊應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)電路。Magneforce的驅(qū)動(dòng)電路中還可以分析各個(gè)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的電壓以及電流采樣分析等。如之前一期“基于Magneforce的BLDC無(wú)感位置檢測(cè)仿真”就詳細(xì)介紹了利用Magneforce進(jìn)行無(wú)感位置檢測(cè)分析的方法。此外，針對(duì)發(fā)電機(jī)應(yīng)用，Magneforce設(shè)置了多種電子負(fù)載工況以及故障狀態(tài)分析。如圖10所示。

圖10 基于Spice的電子負(fù)載（發(fā)電機(jī)用）

Magneforce集成了完備的有限元后處理功能，求解完成后可以直接提供豐富的參數(shù)和曲線結(jié)果。開(kāi)路參數(shù)主要仿真電機(jī)在反驅(qū)狀態(tài)下的本征特性。軟件會(huì)自動(dòng)給出反電勢(shì)、磁鏈、電感和齒槽轉(zhuǎn)矩的計(jì)算結(jié)果以及包括反電勢(shì)，鐵耗等參數(shù)計(jì)算和分析結(jié)果的匯總輸出。集成了Ld以及Lq參數(shù)的計(jì)算功能，且計(jì)算結(jié)果自動(dòng)輸出。Ld和Lq參數(shù)的計(jì)算方法采用的是經(jīng)典的凍結(jié)磁導(dǎo)率計(jì)算法。所有的LoadTest模式中均會(huì)自動(dòng)計(jì)算Ld和Lq的參數(shù)大小。利用SPICE模塊強(qiáng)大的電路仿真功能，可以在Magneforce中實(shí)現(xiàn)基于dq軸電流閉環(huán)反饋的電機(jī)矢量控制性能仿真。圖11和圖12 展示了Magneforce的部分輸出曲線和參數(shù)。另外需要注意的是，Magneforce本質(zhì)上仍然是一款有限元軟件，所以Map圖是通過(guò)第三方軟件得到的。更多詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果可以參考“微型車(chē)用永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)性能仿真”一文。

圖11 Magneforce的輸出曲線

圖12 Magneforce部分輸出參數(shù)

MagneForce采用受控的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)和完全自動(dòng)化的電磁場(chǎng)后處理技術(shù)，降低了電機(jī)工程師對(duì)有限元知識(shí)的要求。軟件也提供了獨(dú)立的場(chǎng)求解器模塊，可以查看各個(gè)工況計(jì)算得到的磁力線，磁密，電密，鐵耗等云圖分布。以及有限元網(wǎng)格剖分情況，如圖13所示。場(chǎng)求解器還支持支持手動(dòng)激勵(lì)云圖分析、支持不同轉(zhuǎn)子位置設(shè)置、氣隙磁密波形以及FFT分析、徑向和切向電力磁波、節(jié)點(diǎn)和單元磁勢(shì)和磁密數(shù)值分析以及導(dǎo)出、云圖動(dòng)畫(huà)演示以及數(shù)值導(dǎo)出分析等。圖14簡(jiǎn)要展示了電磁力波分析的功能，后續(xù)將有資料詳細(xì)討論這個(gè)功能

圖13 Magneforce場(chǎng)求解器

圖14 Magneforce電磁力波計(jì)算

3 Magneforce軟件的一些經(jīng)典案例

3.1 自啟動(dòng)永磁電機(jī)分析

自啟動(dòng)永磁電機(jī)（異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)）與傳統(tǒng)的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，既具備在三相工頻交流電壓下的自行起動(dòng)的能力，又具有在寬負(fù)載范圍內(nèi)效率高、功率因數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，符合國(guó)家“節(jié)能環(huán)保”的指導(dǎo)方向，有著廣泛的應(yīng)用前景。但由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，電磁設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。Magneforce的bldc模塊集成了自啟動(dòng)永磁電機(jī)的計(jì)算功能和豐富的模型庫(kù)，可以完成包括氣動(dòng)性能，負(fù)載特性在內(nèi)的各項(xiàng)性能的分析和優(yōu)化。圖15顯示了一款4極自啟動(dòng)永磁電機(jī)的分析結(jié)果。

圖15 自啟動(dòng)永磁電機(jī)分析

3.2 永磁電機(jī)FOC瞬態(tài)仿真和V/F開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性

為了仿真在FOC驅(qū)動(dòng)模式下永磁電機(jī)的上述動(dòng)態(tài)性能，Magneforce軟件在Transient求解器中加入了新的電路模塊，用于仿真FOC驅(qū)動(dòng)和Vf驅(qū)動(dòng)下永磁電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，圖16展示了永磁電機(jī)Foc+瞬態(tài)仿真的求解器設(shè)置和結(jié)果分析。 圖17展示了永磁電機(jī)在V/f 驅(qū)動(dòng)模式下穩(wěn)定性分析。更多詳細(xì)信息可以參考“Magneforce軟件FOC驅(qū)動(dòng)下永磁電機(jī)瞬態(tài)性能分析功能的介紹”一文。

圖16 永磁FOC驅(qū)動(dòng)+瞬態(tài)仿真

圖17 永磁V/F開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性

3.3 三相感應(yīng)電機(jī)

Magneforce的Indu模塊主要用于計(jì)算各類(lèi)感應(yīng)電機(jī)，集成了瞬態(tài)分析和T等效電路計(jì)算兩種功能。瞬態(tài)分析可以計(jì)算所有的感應(yīng)電機(jī)槽型。T等效電路只能繼續(xù)指定的幾種定轉(zhuǎn)子沖片類(lèi)型。圖18展示了一種4極感應(yīng)電機(jī)的等效電路計(jì)算結(jié)果和瞬態(tài)有限元分析的結(jié)果。

圖18 三相感應(yīng)電機(jī)等效電路+有限元仿真

3.4 特殊感應(yīng)電機(jī)

圖19是Magneforce的Indu計(jì)算和仿真的一種特殊的感應(yīng)電機(jī)。這個(gè)感應(yīng)電機(jī)定子分內(nèi)外兩部分，外側(cè)定子和普通感應(yīng)電機(jī)一樣。內(nèi)側(cè)定子是一個(gè)實(shí)心鐵芯主要用于形成磁路。轉(zhuǎn)子只是一個(gè)厚度很薄的銅杯，在電磁力作用下旋轉(zhuǎn)輸出扭矩。Indu模塊詳細(xì)計(jì)算了它的啟動(dòng)和負(fù)載特性，磁力線以及電密分布等性能。

圖19 旋轉(zhuǎn)銅杯轉(zhuǎn)子特種感應(yīng)電機(jī)仿真

4 最后

簡(jiǎn)要介紹一下Magneforce軟件開(kāi)發(fā)者的信息，Magneforce軟件是由美籍華人王仁洪博士開(kāi)發(fā)。王博士出生于上世紀(jì)50年代初的上海，受當(dāng)時(shí)客觀因素的影響，并沒(méi)有很順利完成學(xué)業(yè)。在70年代初期王博士在崇明島一家工廠工作。直到1978年恢復(fù)高考，王博士才考入上海大學(xué)電機(jī)系成為一名大學(xué)生，此時(shí)王博士已經(jīng)26歲，并且已經(jīng)當(dāng)了8年工人。之后的1984年獲得了上海交通大學(xué)電機(jī)工程碩士學(xué)位并留校任教。在留校任教幾年后，王博士在35+的“高齡”毅然放棄了穩(wěn)定的工作赴美留學(xué)。并于91年他40歲時(shí)取得電機(jī)工程博士學(xué)位。此后先后在ansoft公司和百得公司工作。因在電機(jī)和系統(tǒng)建模方面的卓越貢獻(xiàn)被選為IEEE FELLOW。希望這樣的經(jīng)歷也能激勵(lì)各位有志于技術(shù)的同學(xué)。道阻且長(zhǎng)，行則將至，行而不輟，未來(lái)可期。

審核編輯：湯梓紅