1、MotorSolve使用指导海基科技 目 录1 MotorSolve 界面1.1模板中的参数1.2命令栏1.3设计栏1.3.1 总体设计1.3.2转子设计1.3.3定子设计1.3.4绕组设计1.4结果栏141 Cogging torque齿槽转矩1.4.2 Tran sie nt an alysis瞬态分析1.4.3 PWM an alysis pwm分析1.4.4 D-Q an alysis D-Q分析1.4.5 Lumped parameters集总参数1.4.6 Air gap flux气隙磁通1.4.7 In sta ntan eous field瞬时场图显示1.4.8 Time-av

2、eraged field平均场图显示1.4.9 Field line chart场图直线采样场图圆弧采样 1.5材料1.5.1 材料属性显示1.5.2 材料定义窗口 1.6显示区域1.6.1 模型显示1.6.2 场图显示1.6.3 曲线显示1.6.4 总结对比 错误！未定义书签1.6.5形成报告2内置横向永磁体直流无刷电机设计 2.1总体设计2.2转子设计2.3定子设计2.4绕组设计2.5齿槽转矩计算2.6 Ld、Lq 计算1 MotorSolve 界面主要包括电机管理面板、参数输入面板以及显示窗口。电机管理面板主要包括命令栏、设计栏、结果栏以及材料栏。1.1 模板中的参数定子和转子模板都是采

3、用参数化，以方便用户灵活的使用。这样就产生了许多额外的参数来描述模型的 几何尺寸。例如，定子模板中就有外直径、内直径、槽深以及铁轭深四个参数，然而我们只要其中三个参数就 可以描述定子尺寸，改变三个参数中的任何一个，第四个参数就会相应得做出变化。另外，如果所有的参数都 被赋值，法则是最近做出更改的参数具有优先权。1、有时候当参数发生变化时，会出现错误提示框，表示不能收敛或者违反了规则。2、转子直径的变化会影响定子内径的变化，反之也一样，这是为了保持一定的气隙高度。3、改变电机的外直径将会放大或者缩小整个电机。1.2 命令栏包括新建一个工程、打开、保存、另存、退出以及帮助等。1.3 设计栏设计栏包

4、括总体设计、转子设计、定子设计以及线圈绕接方式设计四大部分。1.3.1 总体设计设置电机主要参数，电机定子和转子的类型等。1、名称2、电机相数3、电机极数4、电机槽数5、电机外直径6、气隙高度7、叠片长度( stack length )：电机纵向长度8、转子类型9、定子类型10、单位设置11、显示平滑设置1.3.2 转子设计转子共包括 11 种类型，下面对其进行详细介绍：1 、面置径向冲磁永磁体( Surface mounted with radial magnets )主要包括以下几个参数：A 、 core 核心参数，指定转子铁心的高度；B 、 diameters 直径，指定转子的内径和外径

5、；C、fillets 切片， magnet tip radius ：永磁体外表面角的圆半径(使尖角圆弧化)；D 、 general 大体参数Skew 斜槽、 skew angle 斜槽角度、 number of magnets per pole 每极下磁铁个数、 material 转子材料、 magnet material 永磁体材料。E、magnet 永磁体参数 magnet angle 永磁体圆弧的角度：Magnet gap angle 两块永磁体之间气隙的角度：magnet thickness 永磁体厚度：2 、面置平行冲磁永磁体( Surface mounted with parall

6、el magnets ) 主要包括以下几个参数：A 、 core 核心参数，指定转子铁心的高度；B、diameters 直径，指定转子的内径和外径；C、fillets 切片， magnet tip radius ：永磁体外表面角的圆半径(使尖角圆弧化)；D 、 general 大体参数Skew 斜槽、 skew angle 斜槽角度、 number of magnets per pole 每极下磁铁个数、 material 转子材料、 magnet material 永磁体材料。E、 magnet 永磁体参数magnet angle 永磁体圆弧的角度、 Magnet gap angle 两块永

7、磁体之间气隙的角度、 厚度、magnet width 永磁体宽度：3 、内置永磁体辐条式( Spoke with embedded magnets ) 主要包括以下参数：A 、 core 核心参数core bridge 核心桥宽，具体如下图：Mid-core hub thickness 核中心厚度：Mid-magnet hub thickness 永磁体中心处核厚度：Slit depth 裂缝深度：Slit inset bottom 裂缝底部深度：Slit inset top 裂缝顶部深度：Slit width 裂缝宽度：B、diameters 直径，指定转子的内径和外径；C、fillets

8、切片， Core inset radius ：放置永磁体的槽外表面角的圆半径(使尖角圆弧化)； D 、 general 大体参数Skew 斜槽、 skew angle 斜槽角度、 number of magnets per pole 每极下磁铁个数、 material 转子材料、 magnet material 永磁体材料。E、 magnet 永磁体参数Magnet inner gap 永磁体与 hub 的距离：Magnet outer gap 永磁体与 core brige 之间的距离：magnet thickness 永磁体厚度；magnet width 永磁体宽度。4 、非内置永磁体辐条

9、式( Spoke with non-embedded magnets ) 主要参数：temperature 温度、 rotortemperature 温度、 rotormagnet thickness 永磁体temperature 温度、 rotorA 、 core 核心参数core bridge 核心桥宽、 Mid-core hub thickness 核中心厚度、 Mid-magnet hub thickness 永磁体中心处核厚度、Slit depth 裂缝深度、 Slit inset bottom 裂缝底部深度、 Slit inset top 裂缝顶部深度、 Slit width 裂缝

10、宽度；B、diameters 直径，指定转子的内径和外径；C、fillets 切片， Core tip radius ：放置永磁体的槽外表面角的圆半径(使尖角圆弧化)； D 、 general 大体参数Skew 斜槽、 skew angle 斜槽角度、 number of magnets per pole 每极下磁铁个数、 temperature 温度、 material 转子材料、 magnet material 永磁体材料。E、 magnet 永磁体参数Magnet inset 永磁体与 hub 的距离、 magnet thickness 永磁体厚度、 magnet width 永磁体宽度

11、。5 、非内置面置拱形永磁体式( Bread-loaf with non-embedded magnets )6 、内置横向永磁体式( IPM with lateral magnets )7 、内置曲形永磁体式( IPM with curved magnets )8 、内置插入横向永磁体式( IPM with inset lateral magnets )9 、内置倒角栅栏永磁体式( IPM with angled barrier )10 、内置 V 型栅栏永磁体式( IPM with V-shaped barrier )11 、内置可变方向永磁体式( IPM with variable or

12、ientation magnets )1.3.3 定子设计根据定子槽形，定子包括 9 种类型。 下面对其进行详细说明：1、square 方槽 主要参数如下： A 、 Diameters 直径参数back iron depth 后部铁轭深度：inner diameter 内径：outer diameter 外径：B、 Fillets 切片Bottom shaft radius 槽底轴半径：Tooth tang radius 齿顶点半径：Top shaft radius 槽底部角半径(圆弧化)：C、 general 大体参数Skew 斜槽、 skew angle 斜槽角度、 number of m

13、agnets per pole 每极下磁铁个数、 temperature 温度、 material 转子材料、 coil material 线圈材料。D 、定子齿参数Bifurcation radius 齿上分槽半径：Shank length 齿骨长度：Slot area 槽面积；Slot depth 槽深：Tooth gap angle 两齿之间的角度：Tooth gap width 两齿之间距离：Tooth tang angle ：槽底与齿靴斜面夹角：Tooth tang depth 齿靴高度：Tooth width 齿宽：2、round 圆槽3、Parallel Tooth 平行定子齿4

14、、General Square 普通方槽(顶窄底宽，与方槽相反)5、General Round 普通圆槽rotorrotor6、Parallel Square 平行方槽7、Parallel Round 平行圆槽8 Parallel平行槽9、Slotless 无槽134绕组设计所谓“绕组”，是指一些按一定的规律连接起来的线圈的总和。绕组通电后，与转子磁钢所产生的磁场 相互作用，产生力或转矩驱使转子带动外负载一起转动（其大小和方向可由左手定则确定），从而决定了电动 机的运动过程。转子磁钢转动后，其磁力线反过来又切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电动势，反过来又 影响电动机内电动势的平衡关系。可见通

15、电绕组和磁场之间的相互作用，是电动机内部机电能量转换的主要媒介。绕组的具体结构和连接方式对机电能量转换过程、感应电动势、电路参数和电磁转矩等基本问题有重要的作用。在直流无刷电机中，绕组又分为单层绕组和双层绕组。每个槽内放置一个绕组边时，称为单层绕组；每个槽内放置两个绕组边时，且分为上、下层时，称为双层绕组。双层绕组一般都采用短距绕组，其节距y在0.8 左右，以使其 5次和7次谐波的影响同时削减到比较小，这样既改善了电动机的电磁性能，又可节省材 料（因为绕组的端部接线缩短了）。主要参数如下：1、general大体设计参数A、Layout method绕接方法：分为自动和手动两种方法；B、End

16、win di ng resista nee每相绕组端部电阻（单位欧姆）；C、 End winding induetanee 每相绕组端部电感（单位亨特）；D、Number of parallel paths 并联支路数；E、Wire size method电磁线尺寸设置方法：指定电磁线面积的计算方法（每相绕组winding由W个线圈eoil串并联组成，每个线圈由放置在不同的两个槽里面的导体端部连接生成，每个槽里有N匝导体eon ductor，每个导体由M条电磁线strand并绕而成） Fill faetor槽满率，指定不包含绝缘的导体截面积相对于不含衬垫的槽的面积； Strand area电磁

17、线截面积； Strand diameter电磁线直径； AWG number美国标准线规； SWG number英制标准线规； MWG number， the Metrie Wire Gauge ； Reetangular矩形电磁线； Number of strands in hand 并绕线数，即形成一个导体的电磁线并绕根数；2、Layout: Automatie 绕接方式：自动A、Winding type指定同一相的绕组如何交叠，有两种方式： Lap叠绕组 Coneentric同心绕组B、Coil span线圈的跨距（第一节距）C、Number of layers槽中线圈的层数（单层和双层

18、）D、Number of eoils per set :线圈组（极相组），把属于同一个极下同一相的所有线圈串联在一起成为一个极相 组（线圈组）；E、Phase offsets两相开始槽距离（槽数）F、Layout绕组设计G、Number of turns 匝数3、Layout: Manual绕接方式：手动A、Phase B offsetB、Phase C offsetC、Number of phase A coilsD、Number of phase B coilsE、Number of phase C coilsF、Layout of phase AG、Layout of phase BH、

19、Layout of phase C4、Viewi ng Opti ons (Chart)图表显示选项A、Chart display 图表显示Back EMF反电动势Back EMF harmo nics 反电动势谐波分析Winding factors绕组因数(短距因数和分布因数的乘积)，绕组因数较低，对电机的感应电动势及基波磁动势削弱较多，因此，绕组因数越高越好。B、 Effective pole angle :有效磁极电角度，永磁体磁极的有效宽度(电角度)，其值 0 = 180 ，它与实际磁 极电角度的比值为计算极弧系数。5、Viewi ng Opti ons (Model) 模型显示选项A

20、、Phases to displayB、Animation6、右图显示窗口A、Win di ng factors :绕组因数，各相的平均值，本处显示的是基波分量的绕组系数；B、 Angular spread:角展度，当采用自动绕组连接时，将会有多种绕组连接方式，Angular spread用来评估这些方式的绕组的质量；具体意思：当槽#1的电流是峰值时，假设转子上的某一点对应槽#1的中心，当转子旋转时，对应于槽#1的这一点将会路过其他的槽，此时，每个槽里面的电流理论上也将分别出现峰值。每个槽的Angular误差就是槽里面实际电流相位和理想电流相位之差。The angular spread就是所有

21、槽的 Angular误差的最大值和最小值的差。C、Conductor area :槽中导体的面积；D、Fill factor :槽满率。1.4结果栏Cogging torqueTransient analysisPWM analysisD-Q analysisLumped parametersAir gap flux原理1、如果将瞬态分析 中Peakline current 设置为零， 也可得到 齿槽转矩；2、如果将 PWM分析 中的 Set point line curre nt 设 置为零，也 可得到。特点快捷得到 齿槽转矩曲线 显示 形式1、瞬态2、平均3、谐波含量的幅 值1、瞬态2、平

22、均3、谐波含量的幅值4、谐波含量的相位1、磁密2、谐波含 量的幅值3、谐波含4、谐波含量的相 位量的相位纵坐标齿槽转矩1、energy磁储能2、coenergy 磁共 能3、torque 转矩 4、 energy derivative5、input power 输 入功率 6、output power输出功率7、 ohmic loss欧姆损 耗 8 iron loss 铁 芯损耗 9、total loss 总损耗 10、 winding voltage 绕 组电压 11、 line-linevoltage12、winding current13 、 line current14、 flux l

23、inkageI、torque 转矩 2、 energy derivative3、 input power 输入功 率 4、output power 输出功率5、loss损 耗 6、winding voltage 绕组电压7、line voltage8、 line-line voltage9、winding current10、line currentII、back EMF12、flux linkageI、torque 转矩 2、 input power 输入 功率 3、output power输出功率4、 loss 损耗 5、 efficiency 效率 6、 power factor 功率

24、因数7、Vp电压峰 值8 Vd直轴电压9、Vq交轴电压10、Ip电流峰值II、Id直轴电流12、Iq交轴电流13、Phi磁通峰值14、Phi_d直轴磁 通15、Phi_q交轴 磁通 16、moment of inertia转动惯量1、Ld直轴电感2、Lq交轴电感3、Xd直轴电抗4、Xq交轴电抗5、Rs定子绕组 电阻6、Phi_m 零轴 电流磁通7、Phi d直轴磁 通8、Phi q交轴磁 通9、moment of inertia转动惯量气隙磁密横坐标电角度 机械角度时间1、不同的设计方案2、导通超前角3、转速1、不同的设计方 案2、电流有效值3、导通超前角4、转速1、不同的设计 方案2、电流有

25、效值电角度 机械角度1.4.1 Coggi ng torque齿槽转矩Number of data points，数据个数，值越大，时间越长；Speed/Accuracy tradeoff 速度 /精确度权衡142 Tran sie nt an alysis 瞬态分析瞬态分析远比pwm分析精确，它采用时步有限元法进行求解，可以考虑材料的非线性。然而他假设电机 连接在理想的电流源(例如没有电压限制)，这种情况是不现实的，特别是在高速运行时。还有就是瞬态分析 计算时间比pwm计算时间要长，所以，转速和超前导通角的曲线不易得到因为要消耗很多的时间。这种分析 方法能很好的验证pwm分析结果：当将 pw

26、m分析中的仿真类型从PWM三相桥式变为DC驱动，此时pwm分析中输入电机的电流波形和瞬态分析中电流波形是一致的。1) Display method 显示方法Instantaneous 瞬时 Time-averaged 平均 Harm onic content amplitudes 幅值谐波分析 Harmonic content phases 相位谐波分析2) Result quantities 结果种类A、Instantaneous 瞬时B、 Time-averaged 平均C、Harm on ic content amplitudes 幅值谐波分析 D、Harm on ic content

27、phases 相位谐波分析 主要显示的结果有：energy磁场储能、coenergy磁共能、torque转矩、energy derivative ( dUm/dt)等等。3) Phases to display4) Desig ns：设计方案；5) Drive type驱动方式：分为正弦波和六脉冲波6) Conn ection type连接方式：分为星型和三角型连接7) Peak line current 线电流峰值 设定线电流峰值(安培)，例如三角形连接绕组，对于正弦波驱动，线电流峰值是相电流峰值的对于六脉冲驱动，线电流峰值是相电流峰值的3/2倍。注意：同超前导通角一起共同决定线圈电流的幅值

28、和相位。8) Advanee angle超前导通角定义定子磁通超前转子q轴的电角度。9) Rotor speed转子转速(rpms每分钟转速)；10) Number of FEA points:定义有限元分析中点的个数；它和下面的周期的乘积决定计算结果数据的 个数；11) Periodicity周期，定义计算转矩波形的长度，以占一个电角度周期中多少来表示(最大为6)，如果忽略铁芯损耗，默认值为6,如果不能忽略铁芯损耗，默认值为1 ;如果周期大于1,则12) Number of harmonics 谐波次数13) Ignore iron loss 忽略铁耗14) Speed/Accuracy t

29、radeoff 速度 /精确度权衡1.4.3 PWM analysis pwm 分析Pwm分析方法是功能非常强大的一种分析方法，他模拟电机连接到三相桥式电路。Pwm分析方法的局限性：理解pwm分析原理有助于避免错误结果，因为相对于转速来说，pwm的频率相当高，所以采用时步有限元法不是很实际。因此采用其他算法代替，即电机模型由很多小的有限元分析方法完成，模型采用三相桥式电 路和电流逻辑控制，模型可以考虑磁饱和特性，然而由于模型是线性的，因此某些饱和特性不能观察。结果的 准确性通过瞬态仿真进行验证。采用pwm分析的电机模型的准确性可以在一定程度上进行控制，电机模型包含以下三个基本特性：i. Bac

30、k-EMF反电动势ii. Cogging Torque 齿槽转矩iii. In ducta nee Matrix 电感矩阵前两个参数可以通过增加Number of back-EMF harmo nics 来提高准确度，因为有限元法可以充分考虑磁场饱和情况；电感矩阵可以通过增加Number of inductanee harmonics来提高精度，但是模型是假设磁通随着线圈电流线性变化的， 而实际上并不是线性变化的。由于电流增加而引起的饱和现象依然可以通过FEA current (默认等于 Set point line current )来考虑。当观察Time-averaged平均或Harmon

31、ic谐波内容的结果时，我们首先需要确定瞬态电流是否已经达到稳 定状态；如果没有，增加Number of periods这个参数以延长仿真时间。只有最后一个周期才是对Time-averaged平均或Harmonic谐波内容有用的。当开关频率非常高时，仿真将需要非常多的采样点，因此，参数Maximumnumber of sample points 需要增加。实际电压和能量波形都含有高频浪涌分量，很难通过瞬态曲线来表达他们。对于这些参数，可以通过设 置Smoothing interval滤波时间间隔这个参数来近似得到他们。例如：通过它可以得到如下结果：b)转矩一速度曲线i.Display metho

32、d =ii.iii.Result qua ntities =Abscissa =Rotor speed(s)=2 )某一转速下的反电动势iv.-lavesaged ”TorqueRotor speed ”“ 100, 18OCh10Type” Range)i.ii.iii.Display method =Phases to display =Result qua ntities =In sta ntan eous”“ A”Back EMF ”iv.Rotor speed(s) = 18003) 某一转速下的电流In sta ntan eous”i. Display method =ii. Ph

33、ases to display =“ A,B,C ”iii. Result quantities =“ Line current”iv. Rotor speed(s) = 18004) 某一转速下转矩谐波分析i. Display method =“ Harmonic content ”ii. Result quantities =“ Torque ”iii. Rotor speed(s) = 18005) 某一转速下，转矩和导通超前角之间的曲线i. Display method =“-laveeaged ”ii. Result quantities =“ Torque ”iii. Abscis

34、sa =“ Adva nee an gle”iv. Advanee angle(s) =“ 0-9 QTypW = Range)v. Rotor speed(s) = 1800 ”参数如下：15) Display method 显示方法16) Result quantities 结果种类17) Phases to display 显示哪一相18) Desig ns设计方案19) Abscissa 横坐标，主要针对display method 中的 time-averaged20) Simulation type : Direct current drive 可与瞬态仿真作对比；默认为 PWM

35、3-phase bridge三相桥式电路;21) Drive type驱动方式：分为正弦波和六脉冲波22) Conn ection type连接方式：分为星型和三角型连接23) Set point line current 设置线电流峰值24) Current hysteresis电流峰值误差大小，可以在Set point line current这个参数上下摆动；25) Advanee angle超前导通角26) Source voltage定义直流电源电压27) Diode voltage drop 二极管压降28) Switch voltage drop 开关压降29) Rotor sp

36、eed30) Number of back-EMF harmonic 反电动势的谐波次数31) Number of inductanee harmonic 电感的谐波次数32) FEA current定义电流计算电感，如果什么都没设定，默认Set point line curren线电流33) Maximum sampling interval最大采样间隔34) Number of periods定义仿真周期35) Maximum number of sample points最大采样点数36) Smoothing interval 滤波时间间隔37) Speed/accuracy trade

37、off 仿真速度 /精度考虑1.4.4 D-Q an alysis D-Q 分析D-Q分析是最快的分析方法，它对每个电流和电压只需要一次有限元计算。它假设所有的电流和电压都是正弦波，因此它只适合正弦波电机（反电动势是正弦的以及是在正弦波驱动下运行）。在计算d轴和q轴电感时可以考虑电磁饱和，但因为所有的波形都是正弦的，所以其他的饱和特性将不能考虑。它也是假设理想电流源驱动（无压降），转矩不包含齿槽转矩。38）result quantities 结果显示选择39）desig ns设计方案40）abscissa 横坐标41) Conn ection type连接方式：分为星型和三角型连接42) RM

38、S current电流有效值Type指定RMS current是列表还是排列类型43) Advanee angle超前导通角Type指定Advanee angle是列表还是排列类型44) Rotor position 转子位置45) Rotor speed 转子转速Type指定Rotor speed是列表还是排列类型46) Iron loss factor铁芯损耗因数，它是铁损与电流、转速的系数，关系式如下：247) lron_loss = 3 x lron_loss_factor x Rotor_speed x RMS_current48) For example, a value of 0

39、.001 would give a loss of 300 W at 10 A and 100 rpm.这个参这种分析注意：当前，铁损只能通过瞬态分析在一个完整的周期内才能得到，DQ分析不能得到铁损。数允许用户修正模型。49) Speed/accuracy tradeoff 仿真速度 /精度考虑1.4.5 Lumped parameters 集总参数Lumped parameters分析同DQ分析一样做了相同的假设， 它在DQ分析的基础上接着做分析。 是有用的，因为它提供了电机的等效电路模型，以方便其他的电路或者系统仿真软件进行仿真计算。50) result quantities 结果显示选择

40、51) desig ns设计方案52) abscissa 横坐标53) Conn ection type连接方式：分为星型和三角型连接54) RMS current电流有效值Type指定RMS current是列表还是排列类型55) Advanee angle超前导通角56) Rotor position转子位置，转子 D轴和定子A相轴线的夹角57) Rotor speed转子转速，只在计算交直轴电抗时用到58) Speed/accuracy tradeoff 仿真速度 /精度考虑1.4.6 Air gap flux 气隙磁通可以得到气隙磁通密度的径向分量。59) Display method

41、 显示选择60) desig ns设计方案61) Rotor position转子位置，转子 D轴和定子A相轴线的夹角62) Number of sample points 采样点数63) Number of harmonics 谐波次数64) Speed/accuracy tradeoff 仿真速度 /精度考虑1.4.7 In sta ntan eous field瞬时场图显示显示电机在某个转子位置、某个超前导通角的场图65) Contour plot field 等位线显示66) Shaded plot field 云图显示67) desig ns设计方案68) Drive type驱动方

42、式：分为正弦波和六脉冲波69) Conn ection type连接方式：分为星型和三角型连接70) Set point line current 设置线电流峰值71) Advanee angle超前导通角72) Rotor position转子位置，转子 D轴和定子A相轴线的夹角73) Speed/accuracy tradeoff 仿真速度 /精度考虑148 Time-averaged field 平均场图显示显示电机在某个超前导通角下一个电周期下的平均场。74) Contour plot field 等位线显示75) Shaded plot field 云图显示76) desig ns设计方案77) Drive type驱动方式：分为正弦波和六脉冲波78) Conn ection type连接方式：分为星型和三角型连接79) Set point line current