1. 轴向磁通电机为什么值得单独折腾一套建模流程轴向磁通电机这两年在新能源驱动、飞轮储能、航空航天作动器这些领域被反复提起根本原因就一条同样体积下它的功率密度和转矩密度比传统径向磁通电机高出一截。磁路走的是轴向气隙是平面定转子像两片盘子对着扣在一起铁芯利用率天然就高。但问题也恰恰出在这个盘子对扣的结构上——它的三维磁场分布太强了端部绕组、磁钢边缘、定子齿顶的漏磁全都不是二维能糊弄过去的。我最早接触这类电机的时候习惯性地拿RMxprt里的径向磁通模板改参数结果算出来的反电势和实测差了将近百分之十五转矩脉动更是完全对不上。后来才想明白RMxprt的磁路模型本质上是把电机沿圆周展开成二维平面来算的轴向磁通电机那种内径小、外径大的扇形齿结构越往内径走齿宽越窄磁密饱和程度沿半径方向剧烈变化二维模型根本抓不住这个梯度。所以这套流程的核心价值在于用RMxprt快速把电磁方案定下来拿到绕组、磁钢、气隙这些关键尺寸然后无缝过渡到Maxwell 3D里做真正的三维场求解。RMxprt负责快3D Maxwell负责准两者之间的数据传递如果做得好能省掉大量重复建模的时间。这篇文章适合已经会用Maxwell基础操作、但还没系统跑通过轴向磁通三维仿真的工程师也适合正在做电机方案对比、需要快速迭代参数的研发人员。需要提前说明的是下面涉及的具体参数和操作步骤一部分来自ANSYS官方文档的通用流程另一部分是我在实际项目中反复试出来的经验值。不同版本的Maxwell界面会有差异我以较新的Electronics Desktop版本为准老版本的操作逻辑基本一致只是菜单位置可能不同。2. RMxprt阶段把轴向磁通方案翻译成磁路模型2.1 为什么RMxprt里没有现成的轴向磁通模板打开RMxprt的电机类型列表你会看到三相感应电机、永磁同步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机等等但就是找不到轴向磁通这个选项。这不是软件漏了而是RMxprt的磁路法本身建立在二维等效的基础上轴向磁通电机的磁路是三维闭合的硬塞进二维框架里需要做大量等效假设。我的做法是用**通用旋转电机Generic Rotating Machine或者永磁同步电机PMSM**模板作为起点把轴向磁通电机的参数翻译成等效的径向磁通参数。具体来说定子内径对应轴向磁通电机的内半径定子外径对应外半径铁芯长度对应单边气隙到磁钢背铁的总轴向厚度。这样翻译之后RMxprt算出来的绕组系数、反电势波形、齿槽转矩趋势和真实轴向磁通电机在量级上是能对上的。这里有个关键点轴向磁通电机的等效铁芯长度不能简单取轴向总长。因为磁路在轴向走但等效到二维模型里铁芯长度代表的是磁通穿过的有效截面积。我一般用磁钢厚度 气隙 定子齿高这个轴向尺寸链来估算再根据实测反电势反推修正系数。第一次做的时候修正系数可能偏差百分之二三十跑过两三轮迭代就能收敛到百分之五以内。2.2 参数填写里最容易翻车的几个字段RMxprt的参数表看起来平平无奇但有几个字段填错了后面3D模型会直接跑偏。极对数与槽数配合。轴向磁通电机常用分数槽集中绕组比如12槽10极、18槽16极这种配合。RMxprt里填槽数和极数的时候注意它默认的是径向电机的槽数定义。轴向磁通电机的槽是沿圆周分布的每个槽的截面积沿半径变化但RMxprt只认一个平均槽面积。我通常取内外径中间位置的槽宽来算平均面积误差在可接受范围内。绕组层数与匝数。轴向磁通电机常见双层集中绕组RMxprt里选双层之后每槽导体数要按实际匝数填。这里容易犯的错是把并绕根数漏掉导致算出来的电阻偏大。我的习惯是先把并绕根数设为1跑一遍看反电势再根据目标电压调整匝数最后把并绕根数加回去微调线径。磁钢材料与充磁方向。RMxprt的材料库里没有专门的轴向充磁选项需要自定义材料。我一般复制NdFe35或者N42SH的BH曲线然后把充磁方向设为轴向。注意RMxprt里的充磁方向是相对于电机坐标系的轴向磁通电机的磁钢是平行充磁还是径向充磁对反电势波形影响很大。平行充磁工艺简单但气隙磁密波形偏方径向充磁波形更正弦但工艺复杂。我实测下来小功率场合平行充磁够用大功率高精度场合还是得径向充磁。2.3 从RMxprt导出到Maxwell 3D的正确姿势RMxprt算完之后点Analysis菜单里的Create Maxwell Design会弹出对话框让你选求解器类型。这里必须选Maxwell 3D不要选2D。选2D的话软件会把模型沿轴向拉伸出来的结果完全没有参考价值。导出的时候有个细节RMxprt会自动生成一个3D模型但这个模型是径向磁通的几何定转子是圆柱套圆柱。你需要手动把它改成轴向磁通的盘式结构。我的做法是保留RMxprt生成的绕组和材料定义把几何体全部删掉重新画定子盘、转子盘和磁钢。这样绕组匝数、材料属性、激励设置都能继承下来省掉大量重复劳动。导出完成后检查一下模型树里的Model节点确认材料库里的自定义磁钢材料被正确带过来了。有时候RMxprt的自定义材料在导出后会丢失充磁方向需要手动在Maxwell里重新指定。3. 3D几何建模盘式结构的坑比你想的多3.1 定子盘建模扇形齿的阵列技巧轴向磁通电机的定子齿是扇形块沿圆周均匀分布。在Maxwell 3D里画一个扇形齿不难难的是阵列之后齿与齿之间的间隙要均匀而且齿顶和齿根不能有重叠。我的标准流程是先在XY平面上画一个扇形内半径取定子内径外半径取定子外径角度取360度除以槽数再减去一个槽口角。然后用Duplicate Around Axis功能绕Z轴阵列阵列数量等于槽数。这里注意阵列的旋转轴要选Z轴角度增量填360除以槽数。阵列完成后用Unite把所有扇形齿合并成一个定子铁芯。合并之前建议先检查一下相邻齿之间有没有干涉如果有说明槽口角设小了。我一般留0.5到1度的槽口角具体看槽数槽数越多槽口角越小。定子轭部是连接所有齿的圆环画一个内径等于齿根半径、外径等于定子外径的圆环和齿合并即可。轭部厚度根据磁密饱和情况定我通常取齿高的0.6到0.8倍保证轭部磁密不超过1.6T。3.2 转子盘与磁钢充磁方向设置是成败关键转子盘通常是实心钢盘或者叠片盘上面贴磁钢。磁钢的形状和定子齿对应也是扇形块。画法和定子齿类似只是半径范围不同。磁钢的充磁方向设置是3D轴向磁通建模里最容易出错的地方。在Maxwell里选中磁钢体在材料属性里找到Magnetic Coercivity或者Permanent Magnet设置充磁方向用坐标系来定义。轴向磁通电机的磁钢充磁方向是沿Z轴轴向但相邻磁钢的充磁方向相反。我的做法是给每个磁钢单独建一个局部坐标系坐标系的原点放在磁钢中心Z轴指向轴向。然后根据磁钢的极性把充磁方向设为Z或-Z。N极磁钢充磁方向指向气隙S极磁钢充磁方向背离气隙。如果搞反了反电势波形会完全乱掉。这里有个偷懒的办法先画一个磁钢设好充磁方向然后用Duplicate Around Axis阵列阵列的时候勾选Copy Materials and Coordinate Systems。这样每个磁钢都会带一个独立的局部坐标系充磁方向自动跟着走。但要注意阵列出来的磁钢极性是交替的需要手动把一半磁钢的充磁方向翻转。3.3 气隙与运动设置Band的划分逻辑轴向磁通电机的气隙是平面气隙定子盘和转子盘之间的轴向距离就是气隙长度。在Maxwell 3D里气隙区域需要单独建一个圆柱体或者圆盘体材料设为真空。运动设置用Band来实现。Band是一个包裹转子的区域在轴向磁通电机里Band通常是一个圆盘状的区域把转子盘和磁钢包在里面。Band的内径要小于转子内径外径要大于转子外径轴向厚度要覆盖转子盘和磁钢的总厚度。设置Band的时候旋转轴选Z轴旋转方向根据实际转向定。转速填额定转速单位是rpm。注意Band不能和定子区域重叠否则求解器会报错。我一般让Band的外径比定子内径小0.5毫米留一点安全间隙。4. 网格划分与求解设置三维场的算力账要算清楚4.1 轴向磁通电机的网格难点在哪里三维瞬态场求解的网格量本来就大轴向磁通电机更是雪上加霜。原因有三个一是气隙是平面气隙沿轴向的网格要足够密才能捕捉磁场梯度二是磁钢边缘和定子齿顶的漏磁区域磁场变化剧烈需要局部加密三是绕组端部在三维空间里形状复杂四面体网格容易畸变。我的经验是气隙区域沿轴向至少分三层网格每层厚度不超过气隙长度的三分之一。定子齿顶和磁钢表面加Surface Mesh或者Length Based加密网格尺寸取气隙长度的二分之一到三分之一。绕组区域用Inside Selection加密网格尺寸取导线直径的二分之一。如果算力有限可以先用较粗的网格跑一个电周期看反电势波形和转矩波形的大致趋势确认没问题再加密网格跑精细结果。我一般先用粗网格跑网格量控制在50万到80万四面体精细结果网格量在200万到500万之间。4.2 瞬态求解的时间步长怎么定时间步长直接决定求解精度和计算时间。轴向磁通电机的电频率通常比同功率径向电机高因为极对数多。假设额定转速3000rpm极对数10电频率就是500Hz电周期2毫秒。时间步长一般取电周期的百分之一到五十分之一。我通常取电周期的五十分之一也就是40微秒。如果只看反电势波形百分之一20微秒也够用如果要看转矩脉动和齿槽转矩建议取五十分之一甚至更小。求解总时长至少覆盖两个电周期让瞬态响应充分衰减。如果初始角度设置不对第一个电周期的波形会有明显畸变从第二个周期开始才稳定。我一般跑三个电周期取最后一个周期的数据做分析。4.3 初始角度设置一个容易被忽略的细节Maxwell 3D瞬态场求解需要设置转子的初始位置角。这个角度决定了t0时刻转子磁极和定子齿的相对位置。如果设错了反电势波形的相位会偏移但不影响幅值和波形形状。我的做法是让t0时刻转子磁极中心线和定子齿中心线对齐这样反电势从零开始上升。具体角度值根据槽数和极数算比如12槽10极每槽角度30度每极角度36度初始角度可以设为0度或者15度看你想让A相绕组从哪个位置开始。设置初始角度的时候注意Maxwell里的角度单位是度旋转方向要和Band的旋转方向一致。如果Band设的是逆时针旋转初始角度也要按逆时针方向定义。5. 后处理从反电势到转矩哪些结果值得看5.1 反电势波形第一个要验证的结果反电势是验证模型正确性的第一道关卡。在Maxwell里选中绕组用Flux Linkage或者Induced Voltage来提取反电势。我一般看线反电势因为实测的时候线电压容易测相电压需要中性点引出。反电势波形应该接近正弦如果出现明显的平顶或者尖峰说明磁钢充磁方向有问题或者气隙磁密波形太方。平顶波形会导致谐波含量高电机运行时振动噪声大。我实测下来平行充磁的轴向磁通电机反电势波形总谐波畸变率在百分之五到八之间径向充磁能降到百分之三以内。反电势幅值和RMxprt的结果对比如果偏差在百分之十以内说明模型基本可信。偏差超过百分之十五需要检查磁钢材料属性、绕组匝数、气隙长度这几个参数。5.2 转矩波形与齿槽转矩脉动来源要拆开看转矩波形分两部分平均转矩和脉动转矩。平均转矩决定电机的出力能力脉动转矩决定运行平稳性。在Maxwell里用Torque或者Moving Torque来提取转矩波形。齿槽转矩是脉动转矩的主要来源之一它是磁钢和定子齿之间相互作用产生的即使不通电也存在。提取齿槽转矩的时候把绕组电流设为0只让转子旋转看转矩波形的峰峰值。轴向磁通电机的齿槽转矩通常比径向电机大因为磁钢和定子齿的面对面积大边缘效应强。我一般用斜极或者斜槽来削弱齿槽转矩。在Maxwell 3D里斜极可以通过给磁钢加一个绕径向的旋转角度来实现斜槽可以通过给定子齿加一个绕轴向的扭转角度来实现。斜极角度取一个齿距的零点五到一倍具体看齿槽转矩的谐波次数。5.3 磁密分布与损耗计算热分析的输入磁密分布用Mag_B或者B来查看重点看定子齿顶、轭部和磁钢表面的磁密值。定子齿顶磁密不要超过1.8T轭部不要超过1.6T磁钢表面不要超过1.2T。超过这些值铁耗和涡流损耗会急剧上升。铁耗和涡流损耗在Maxwell里用Core Loss和Solid Loss来提取。轴向磁通电机的铁耗主要集中在定子齿和轭部涡流损耗主要集中在磁钢和实心转子盘。如果转子盘是实心的涡流损耗可能占总损耗的百分之十以上需要考虑叠片或者开槽来削弱。这些损耗值是后续热分析的输入。我通常把Maxwell算出来的损耗值导出成CSV再导入到Workbench的稳态热分析里给电机做温升校核。轴向磁通电机的散热条件比径向电机差因为定转子盘之间的气隙是平面气隙空气对流路径短热量容易积聚在磁钢和绕组端部。6. 从3D结果反推RMxprt修正迭代收敛的实操节奏6.1 第一次迭代反电势偏差的归因第一次跑完3D拿反电势幅值和RMxprt对比偏差方向决定了修正策略。如果3D结果偏小可能是磁钢充磁方向不对、气隙偏大、或者绕组匝数偏少。如果3D结果偏大可能是磁钢材料属性偏强、气隙偏小、或者铁芯饱和导致磁路磁阻偏大。我的经验是先检查充磁方向这是最常见的错误来源。然后检查气隙长度3D模型里的气隙是实际几何距离RMxprt里的气隙是等效磁路长度两者可能有差异。最后检查绕组匝数和并绕根数确保3D模型里的绕组定义和RMxprt一致。修正的时候不要一次改多个参数每次只改一个跑一遍看趋势。我一般先调气隙长度因为气隙对反电势的影响最直接调整幅度也容易控制。气隙调完之后再调匝数最后调磁钢材料属性。6.2 第二次迭代转矩波形的精细对齐反电势对齐之后转矩波形通常还会有偏差。平均转矩偏差在百分之五以内可以接受脉动转矩偏差可能更大因为脉动转矩对网格密度和求解精度更敏感。如果平均转矩偏小可能是电流相位不对或者绕组分布系数和RMxprt不一致。检查一下3D模型里的绕组连接方式确保每相绕组的串联匝数和并联支路数和RMxprt一致。如果脉动转矩偏大可能是网格太粗或者时间步长太大需要加密网格和减小步长。我一般跑两到三轮迭代反电势和平均转矩都能收敛到百分之五以内。脉动转矩的收敛慢一些但趋势对了就行绝对值不需要完全对齐因为实测的脉动转矩受装配误差和材料批次影响也很大。6.3 收敛判据什么时候可以停我的收敛判据是三条反电势幅值偏差小于百分之五平均转矩偏差小于百分之五磁密分布没有局部饱和超过1.9T。满足这三条模型就可以用来做方案对比和优化了。如果跑了很多轮还是收敛不了大概率是几何模型有问题比如定子齿和磁钢的相对位置不对或者Band区域和定子区域有重叠。这时候需要回到几何建模阶段检查模型树里的每个体确保没有干涉和重叠。7. 几个让我踩过坑的实操细节7.1 材料库里的BH曲线不能随便用Maxwell自带的NdFe35材料BH曲线是在室温下测的。轴向磁通电机运行时磁钢温度可能到80度甚至100度以上高温下磁钢的剩磁和矫顽力都会下降。我一般根据工作温度把剩磁乘以一个温度系数钕铁硼的温度系数大约是每升高100度剩磁下降百分之十到十二。如果要做精确的温升-电磁耦合分析需要把Maxwell的损耗结果导入Workbench热分析再把温度结果反哺回Maxwell的材料属性。这个耦合流程比较长我一般只在方案定型阶段做一次前期方案对比用室温属性加温度系数修正就够了。7.2 求解器内存设置别让电脑白跑一晚上3D瞬态场求解对内存需求很大网格量200万的时候内存占用可能到16GB以上。如果内存不够求解器会频繁读写硬盘速度慢十倍不止。我在求解设置里会把内存分配调到物理内存的百分之八十留百分之二十给系统。另外求解过程中可以设置Save Fields的时间点不需要每个时间步都保存场数据。我一般只保存最后两个电周期的场数据前面的时间步只存波形数据不存场数据能省不少硬盘空间。7.3 参数化扫描批量对比方案的效率技巧做方案对比的时候不要手动改参数再重新跑。Maxwell支持参数化扫描把气隙长度、磁钢厚度、匝数这些变量设成参数然后扫一个范围软件会自动跑完所有组合。我一般先扫气隙长度范围取0.5到2毫米步长0.25毫米看反电势和转矩的变化趋势。然后扫磁钢厚度范围取3到8毫米步长1毫米看磁密饱和情况和材料成本。最后扫匝数范围取目标值的正负百分之二十步长百分之五看电压匹配情况。参数化扫描很吃算力建议在晚上跑第二天看结果。如果组合太多可以先用RMxprt快速筛一遍把明显不合理的组合去掉再用3D精细算。7.4 结果导出与报告怎么把数据讲清楚Maxwell的结果可以导出成CSV或者图片。我一般把反电势波形、转矩波形、磁密云图、损耗数据分别导出然后在报告里对比不同方案的性能。导出波形的时候注意时间轴的起点和终点要一致不然对比的时候相位对不上。导出磁密云图的时候选一个代表性的时间点比如反电势峰值时刻这样磁密分布最能反映饱和情况。报告里我一般放三张表方案参数对比表、性能指标对比表、损耗分布对比表。参数表列气隙、磁钢厚度、匝数、极槽配合性能表列反电势幅值、平均转矩、脉动转矩、效率损耗表列铁耗、铜耗、涡流损耗、总损耗。这样看报告的人能快速抓住重点。8. 写在最后这套流程的边界在哪里这套RMxprt到3D Maxwell的流程我用了大概两年多跑过十几个轴向磁通方案从几百瓦的小电机到几十千瓦的驱动电机都试过。它最大的价值是快——RMxprt半天能筛十几个方案3D Maxwell一天能精细算两三个方案整个迭代周期控制在一周以内。但它也有边界。RMxprt的磁路法对轴向磁通电机的等效精度有限反电势偏差百分之十以内算正常百分之五以内算运气好。3D Maxwell的精度高但算力消耗大网格量500万的时候跑三个电周期可能要十几个小时。如果方案特别多建议先用RMxprt粗筛再用3D精算不要一上来就3D。另外这套流程没有覆盖热分析和结构分析。轴向磁通电机的温升和转子强度问题需要另外用Workbench做稳态热和静力学分析。如果要做完整的多物理场耦合流程会更长但核心的电磁建模部分就是上面这些内容。最后分享一个小技巧Maxwell 3D的模型树里可以把常用的操作录成脚本比如阵列磁钢、设置充磁方向、划分气隙网格。下次建新模型的时候直接跑脚本能省掉大量重复操作。我录了一个磁钢阵列的脚本原来手动操作要十分钟现在跑脚本十秒钟搞定。