01 案例背景

軸向磁通電機（AFPM）又稱盤式電機，是一種特殊結構的電機。其磁通方向平行于電機旋轉軸軸向方向，區別于傳統徑向磁通電機的徑向磁通路徑，這種設計帶來顯著優勢：極高的功率密度和扭矩密度，更短的磁路帶來更高的效率，優異的散熱性能，以及緊湊的軸向尺寸和輕量化。特別適合應用于空間受限、要求高功率/高效率的應用場景。

而雙轉子的軸向磁通電機通過雙側磁路工作，磁場利用率翻倍，進一步提高了峰值效率和工況效率，將功率密度、扭矩密度和散熱效能推向，成為高性能電動汽車、航空航天、高端工業和機器人等領域追求極限效率與緊湊性的解決方案之一。

本案例通過INTESIM低頻電磁有限元模塊對雙轉子軸向磁通電機模型進行三維瞬態仿真，模擬仿真電機在峰值工況下的瞬態運動輸出特性，指導電機的設計與優化。

02 案例功能特點

03 案例分析：從幾何模型到運動設置

本案例為20極18槽雙轉子軸向磁通電機，額定轉速6000rpm，額定功率95KW。

其中定轉子采用高性能硅鋼片疊壓而成，定子采用不導磁的定子支架固定，轉子為減小損耗進行分塊處理，繞組采用集中繞組，并聯支路數為2，繞組匝數24，槽滿率73.2%，永磁體按N/S均勻排布在轉子表面上，使其中心與轉子分塊空隙對齊，且上下轉子相同位置的永磁體磁性相同。

圖2  雙轉子軸向電機幾何模型

材料參數

本案例用到的材料：定轉子鐵芯為B35A250硅鋼片，疊壓系數0.98，磁鋼采用N45UH釹鐵硼，繞組采用Copper銅，空氣域為空氣。材料屬性如下表所示：

表1  材料屬性表

上表中的材料B-H曲線如下圖：

圖3  鐵芯硅鋼片B-H曲線

邊界及激勵

（1）磁通量平行邊界

本案例采用有限元算法分析雙轉子軸向磁通電機的動態特性，在模型外圍需建立空氣外域，同時在空氣外域的外邊界設置磁通量平行邊界。

（2）三相繞組激勵

本案例為集中繞組，跨距為1。對三相繞組進行分相，A、B、C三相分別成120°電角度排列，并聯支路數為2，繞組匝數為24匝，如下圖所示，其中紅色為A相繞組，黃色為B相繞組，藍色為C相繞組。

圖4  A、B、C三相繞組排布

其繞組平面展開圖如下：

圖5  A、B、C三相繞組平面展開圖

擬定電機為正弦波電流源驅動方式，在全局中編輯電流源激勵函數，分別加載A、B、C三相電流，其中三相電流兩兩相差120°。

為將電流源激勵加載在電機線圈繞組上，需在繞組設置中對電機繞組分相，并對各個線圈進行電機繞組截面設置。在3D電機仿真過程中，每個繞組只需要建立一個線圈截面，且電流激勵須垂直流入/流出線圈截面，才能達到正確的仿真效果。在繞組界面中進行并聯支路數設置，在線圈截面中設置繞組匝數。A相繞組設置界面示例如下：

（a）A相繞組設置                                                 （b）線圈截面設置

圖6  A相線圈繞組設置

（3）運動控制

該案例為電機的瞬態仿真，其額定轉速為6000rpm，額定頻率1000Hz。由于本案例模型為18槽20極電機，為使轉子磁場軸線與定子磁場A相中心對齊，設置轉子初始位置角為2°。運動區域為band域內的各部分轉子及磁鋼，對電機進行相關運動控制及動網格設置，以輸出準確的電磁轉矩。由于本案例為雙轉子雙band案例，須設置兩部分band及相應區域的運動控制，輸出兩部分剛體運動轉矩，其運動控制設置如下：

圖7  電機雙band剛體運動控制設置

網格剖分

本案例為三維雙轉子軸向磁通電機的瞬態仿真，其構成組件較多，為了保證計算結果的準確性和盡可能的減少仿真所需的時間，需要對部分空氣域進行拆分，然后分別劃分網格。此外電機在瞬態運動過程中，其動態運動區域的網格也會不斷的運動，要對動網格區域進行加密剖分，其網格剖分的質量對電機轉矩的計算結果有較大的影響。整個計算域采用共節點網格進行剖分，總網格數量為126萬。其網格如下：

圖8  INTESIM 電機三維網格

鐵耗設置

在軸向電機中，由于定轉子鐵芯的用量較大，加上電機轉速的增加，電機的頻率也會隨著增大，電機在高速旋轉的時候其鐵耗會體現的較為明顯，是仿真設計電機過程中不可忽略的一環，直接影響電機的峰值功率和整體溫升，影響電機的運行可靠性。

利用INTESIM-Emag可對電機鐵耗進行仿真，為計算較為準確的鐵耗，設置仿真時長為2倍周期以上的時間。

INTESIM-Emag鐵耗計算支持各部分組件分別鐵耗計算和各部分鐵耗總和的計算，選擇各部分鐵耗組件，建立單元Set。

圖9  電機鐵耗設置

04 計算結果

在電機的開發設計過程中，主要仿真電機在各個仿真工況下的輸出轉矩、反電勢、磁密、電密等性能指標，本文以該模型的峰值工況進行仿真。

（1）電機峰值工況下的輸出轉矩

由于電機為雙子電機，需要在計算峰值扭矩的時候在后處理過程中對兩部分band的輸出扭矩求和。峰值扭矩平均值與商軟對標差異1.91%。

圖10  雙轉子軸向電機輸出峰值轉矩

（2）電機峰值工況下的反電勢

在峰值工況下，本案例電機反電勢有效值與商軟對標差異1.52%。

圖11  轉子軸向電機峰值反電勢

（3）電機峰值工況下的鐵耗曲線

在峰值工況下，本案例電機的鐵芯損耗在穩定后的平均值與商軟對標差異4%。

圖12  峰值工況下的定轉子鐵芯損耗

（4） 電機峰值工況下在1ms時的磁密

圖13(a)  INTESIM磁密云圖                                            圖13(b)  對標商軟磁密云圖

（5） 電機峰值工況下磁密隨時間變化的云圖分布動畫

圖14 轉子運動及磁密云圖分布動畫

（6） 電機峰值工況下在1ms時的電流密度

圖15(a)  INTESIM電密云圖                                                       圖15(b)  對標商軟電密云圖

（7） 電機峰值工況下電流密度隨時間變化的云圖分布動畫

圖16 轉子運動及電流密度云圖分布動畫

從仿真結果來看，利用INTESIM-Emag模塊可以實現軸向雙轉子電機的三維仿真設計。該電機的峰值輸出轉矩、峰值反電勢均滿足電機的設計要求。根據電機的峰值工況，仿真計算得出電機的鐵耗占比并不高，電機的磁密分布合理，電流密度也低于工程經驗值，說明電機在實際工況下可以穩定高效的運行。通過與商軟的對標也進一步驗證了本案例雙轉子軸向磁通電機仿真的準確性。

05 案例總結與展望

本案例使用INTESIM低頻電磁有限元模塊，基于復雜三維模型的瞬態求解，采用多band域運動控制、繞組設置、3D局部網格細化剖分、鐵耗設置等精細化仿真功能，實現了該雙轉子軸向磁通電機的動態特性精確求解。

仿真計算得到電機輸出轉矩、反電勢、鐵耗等電機性能功耗曲線，以及電機在運動過程中的動態磁密云圖、電密云圖等其他場的分布云圖。

分析結果表明，INTESIM在各工況下的計算結果均與對標商軟基本一致。具備軸向磁通電機的精確仿真能力，也滿足雙band乃至多band域的仿真設計需求。

本案例驗證了INTESIM低頻電磁模塊對雙轉子軸向磁通電機瞬態運動特性的仿真能力，能夠為廣大用戶提供準確可靠的仿真結果，支撐電機的設計方案。

06 結語：仿真驗證與設計支撐的價值落地

雙轉子軸向磁通電機作為高端裝備領域的核心動力部件，其性能優化離不開精準的仿真技術支撐。

無論是為電機設計工程師提供優化方向，還是為行業從業者展現先進仿真技術的應用價值，本案例都具有重要參考意義。

未來，隨著仿真技術的不斷迭代，雙轉子軸向磁通電機將在更多高端場景中實現性能突破，為產業升級注入強勁動力。