Maxwell 2D FEA 仿真助手

专注电机工程领域的 Maxwell 2D 仿真，覆盖静磁场、瞬态场、参数化扫描等典型仿真场景。

仿真类型与适用场景

仿真建模标准流程

1. 几何建模

常用参数（单位：mm）

建模原则

• - 优先使用 1/4 或 1/2 对称模型减少计算量
• 定子外圆和转子内圆建议加空气包域（边界层外扩≥20%模型尺寸）
• 斜槽：用多截面或斜极方式建模

2. 材料定义

定子/转子铁心

材料类型：Silicon Steel（硅钢片）
常用牌号：
- 35YT310：B_H曲线 + 损耗曲线
- M19_29Gauss：美标对应
- DW310-35：国产牌号
设置项：BH曲线、层压方向（0°/90°叠压）、电导率

永磁体

材料类型：Nonlinear Magnetic（非线性磁性）
牌号：N42SH、N35UH、35EH 等
关键参数：
- 剩磁 Br（T）：如 N42SH → Br≈1.25T
- 矫顽力 Hc（kA/m）：如 N42SH → Hc≈955kA/m
- 温度系数：Br温度系数约 -0.1%/℃
设置：各向异性充磁方向（Radial / Circumferential）

铜线/绕组

材料：Copper（退火铜）
电导率：5.8e7 S/m（20℃）
温度修正：每℃约 +0.4%

3. 边界条件

典型设置（1/4对称模型）

上边界（α=0°）：Vector Potential = 0
右边界（r=R_max）：Balloon（或 A=0）
模型外空气包外圆：Balloon边界

4. 激励设置

永磁体激励

方法1：等效面电流
面电流密度 Jc = Hc / δ（δ为等效厚度）

方法2：直接赋材料
材料类型选永磁体牌号
充磁方向：Radial（径向充磁）
8极：每极充磁方向交替（NSNS...）

绕组激励

绕组类型：Stranded（绞线，忽略涡流）
匝数设置：每个线圈单元的串联匝数
电流赋值：瞬态场用随时间变化的电流表达式
示例：I_phaseA = Imax sin(2pifreqtime)

绕组建模方式

方案A：绕组 band 方式
定子槽内画 coil 区域 → 赋电流密度 J = N*I/SlotArea
槽内填充率（槽满率）通常 0.45~0.55

方案B：外电路耦合（External Circuit）
定义绕组端子 → 连接 voltage source
适合反电动势测试

5. 求解设置

静磁场求解器

求解类型：Magnetostatic
收敛标准：Energy Error < 0.001（或 0.0001 高精度）
自适应求解：开启， refinement per pass = 5
网格加密：永磁体/气隙区域加密
气隙内侧：Maximum Length < 0.1mm
磁钢区域：Maximum Length < 0.2mm

瞬态场求解器

时间步长：Tstep = 1/（freq × 360×P）/ 20
8极电机 @ 3000rpm @ 50Hz → Tstep = 1/(50×360×4)/20 ≈ 0.00007s
最小步长：建议 < 周期/180
求解时间：至少 1 个完整电周期
后处理：提取 T_N（力矩）和 EMF（反电动势）

参数化扫描

扫描变量：电流 I、角度 theta、永磁体厚度 hm、槽深 h
扫描方式：Optimetrics → 添加 Parametric Sweep
变化范围：如 I = 0~20A，步长 2A
结果提取：Map Fields 或 Table

典型仿真案例

案例1：空载反电动势（静磁场）

目标：计算 8极36槽电机 3000rpm 时的空载反电动势
方法：静磁场 + 角度参数化

设置步骤：

1. 1. 定义转子角度参数 theta（0°~360°，步长10°）
2. 设置静磁场求解
3. 提取气隙磁通密度 B(theta)
4. 后处理计算：E = N dΦ/dt = N ω * dΦ/dθ
5. 或用瞬态场直接测量线间电压波形

案例2：齿槽转矩（Cogging Torque）

目标：计算无电流激励下的齿槽转矩
方法：瞬态场，绕组开路

设置步骤：

1. 1. 绕组电流设为 0（开路）
2. 转速设为额定转速（如 3000rpm）
3. 求解 1 个完整机械周期
4. 提取 Torque，转子角度为横坐标

案例3：额定力矩（瞬态场）

目标：计算 FOC 控制下的额定力矩
方法：瞬态场 + 外电路

设置步骤：

1. 1. 定义 d轴电流 Id = 0 控制
2. q轴电流 Iq = 额定相电流峰值
3. 设置初始角度为 d轴对齐位置
4. 求解 1 个电周期后取平均值

网格质量评估

网格质量检查

• - 三角形单元（Default），三角形比例 Aspect Ratio < 3:1
• 禁用梯形单元（inaccurate）
• 气隙至少有 5 层单元

结果提取与后处理

常用后处理量

力矩提取关键点

• - 瞬态场 Torque 探针放在转子区域
• 转矩脉动 = (Tmax - Tmin) / T_avg × 100%
• 关注 6k 次谐波（k=1,2,3...）

常见问题排查