关于maxwell中电机功率流的梳理

软件为Ansys Maxwell，所用模型为示例库中的ipm_1，测试方法为：

1. 打开示例模型；
2. 运行RMxprt仿真；
3. 生成Maxwell2D模型；
4. 运行2D模型（运行前可修改仿真时长和步长）；
5. 绘出希望查看的变量并分析。

1.功率梳理及问题

1.1 准备工作

在电路中添加电流表和电压表，便于观察：

在直流母线端添加了一个电流表Ibus，在三相输入端各添加了一个电压表Ua、Ub、Uc。

电机转速n=1800rpm，2对极，电周期1/(1800/60)/2=0.01666667s，故选择0.01666667~0.03333333s这段时间进行观察，这段时间中各变量已经基本稳定，且为一个整周期。

定子电流：

1.2 输出功率分析

转矩：均值T=3.23Nm

输出机械功率：Pout=Tn=3.23*1800/60*2*pi=608.84W。

同样输出功率也可以用各相电流与反电势乘积的和进行计算。

表达式为InducedVoltage(PhaseA)*Current(PhaseA)+InducedVoltage(PhaseB)*Current(PhaseB)+InducedVoltage(PhaseC)*Current(PhaseC)

得到平均值为607.3，与上面计算的机械输出功率一致。

1.3 损耗分析

铁损均值13.808，铜损均值26.539，总损耗均值Ploss=13.808+26.539=40.347W。

输入功率表达式NodeVoltage(IUa)*BranchCurrent(VIA)+NodeVoltage(IUb)*BranchCurrent(VIB)+NodeVoltage(IUc)*BranchCurrent(VIC)

均值Pin=688.46W

可以发现Pin=688.46≠Pout+Ploss=608.84+40.347=649.187。

注：BranchCurrent(VIA)其实与Current(PhaseA)相等。

2.问题定位与解决

其实输入电流和电机相电流相等，所以主要应当关注输入相电压和电流相反电势之间的差别。可以注意到这里有一个电阻，其值为2.605Ω。

在RM的Design Sheet中也可以看到这一项，这其实是电机的相电阻。

然而，这并不等于在2D模型中算出来的（实际是有效部分的）导体电阻。

在2D模型中导体长4.48mm，宽4.31mm，共27匝，电导率46000000（75℃），铁心长度65mm，电阻应计算为0.065/46000000/(4.48*4.31e-6/27)*12*4/3*27=0.8535869Ω。实际上，这是因为RM中考虑了绕组端部的长度和电阻，而2D模型中只考虑了槽内的导体，以至于它们相差了2.605/0.854=3.05倍。

在RM中可以看到半匝长度为133.875mm，比铁心长度65mm多了133.875-65=68.875mm，即一侧的端部长度。

实际上该电机属于长径比较小的类型，长度65mm，而外径120mm，绕组位置半径约44.5mm，绕组跨距5个槽（360°/24*5），不考虑轴向伸出的部分，绕组端部（一侧）长度可估算如下：

 2*pi/24*5*44.5=58.25mm，实际上，考虑轴向伸出，实际的长度将会比68.875mm更大，这可以在3D模型中得到体现。

半匝绕组体积2787.4mm^3，截面积19.3mm^2，得到长度约2787.4/19.3=144.4mm，减去有效部分的65mm，还有79.4mm。

因此，在Maxwell2D模型中不能考虑到绕组的端部损耗，应当注意该问题！

实际上，RM对于铜损和铁损的计算都不是特别准，但误差主要来源于此处。

3. 补充说明

实际上，母线电流Lbus均值为3.16A，直流电源电压110V，系统输入功率Pin1=3.16*110*2=695.2W，比Pin=688.46仍多出6.74W。

这部分损耗为开关器件的导通损耗，开关器件的导通压降为0.7V，按3.16A计算，损耗为3.16*0.7*3=6.636，基本相等。