序言
隨著永磁同步電機行業的發展，各家電機公司的競爭也愈加激烈，如何快速根據客戶需求提出電機設計方案，並針對電機方案進行優化分析以滿足客戶的要求，在很大程度上反映了企業的設計能力並且決定了是否能夠成功獲得項目訂單。
在本篇文章中，筆者根據自身設計經驗，以一款實際的車用電機為例，利用Motor-CAD軟體進行電機方案的設計和確定，並通過軟體仿真進行優化分析。
一．基本模型的建立和優化設置
電機輸入指標如下：
使用Motor-CAD對電機方案的設計具體思路如下：
先利用Motor-CAD的場路耦合計算功能初算電機的性能指標，在電機外徑確定的前提下，本文將針對不同的軸向長度和匝數對電機進行初步設計，在滿足基本力學性能後考慮不同的槽開口對電機的轉矩波動、齒槽轉矩和T-n曲線等客戶關心的性能指標的影響，進而尋找到最符合設計要求的槽開口寬度。
電機設計時有很多因素需要考慮，一般情況下，因為電機在客戶系統中的安裝空間有限，所以電機軸長和機殼外徑會被限制在一定範圍內，理想情況下，理論上是電機軸向長度越長，每槽匝數越多電機的力矩越大（輸入側的電壓和電流不變）。因為安裝空間有限，所以不能無限加大電機軸長，因此，在保證電機的出力性能和熱性能的前提下，電機軸長一般取可選擇範圍內的較小值，隨著定轉子鐵芯長度的縮短，磁鐵長度也會得到有效縮短，為了滿足出力要求往往會增加匝數並減小線徑，在滿足電機熱負荷設計的前提下，總體來講，合理得減小軸向長度能降低電機成本。
在Motor-CAD中初步建立電機模型如下圖所示。
圖1 電機模型的建立
根據設計經驗和客戶安裝尺寸的要求，本款電機的鐵芯軸向長度設定在60mm左右，利用Motor-CAD分別仿真了鐵芯長度取58-61mm的電機T-n性能參數，如下圖。
圖2 不同軸向長度下的仿真T-n曲線
考慮到客戶的最大轉矩要求並保留設計餘量，軸長在60mm以上的設計均滿足客戶要求。考慮到軸向長度加長，電機成本會增加，同時性能上轉矩波動和齒槽轉矩會相應增加，因此選定電機軸長在可選範圍的較小值，即L=60mm。繞組匝數的選擇注意滿足出力要求和電機熱負荷，選定為15匝。
二．不同槽開口下電機性能仿真優化
明確了電機的軸長和匝數選擇後，下面針對不同的槽開口寬度進行優化，尋找最優解。
可以發現，Motor-CAD基本計算的時間是分成三段進行的，這和我們在計算選項中的設置有關，下面將進行的計算，我們在軟體中一共勾選了開路計算，包括反電勢和齒槽轉矩負載轉矩負載T-n曲線三個選項。
圖3 基本計算輸入設置示例
因此計算分成三部分，各部分的仿真時間如下。
圖4 基本計算仿真時間
得到的齒槽轉矩如下圖。
圖5 初算的齒槽轉矩示例
得到的轉矩波動如下圖。
圖6 初算的轉矩波動示例
線反電勢（數據中是有相電勢和線電勢都有的，只是顯示默認線電勢）如下圖。
圖7 初算的線反電勢示例
初算的T-n和P-n曲線如下圖。
圖8 初算的T-n曲線示例
圖9 初算的P-n曲線示例
槽開口的具體範圍從0.6到2.4mm，增量步長取0.2mm。
比較不同槽開口寬度下的T-n曲線差異，不需要進行細化仿真，只需要比較大體曲線趨勢即可，因此採用Motor-CAD的基本計算可以完成不同槽開口方案的快速求解，這樣極大得節省了優化仿真的時間。
通過仿真我們得到不同的槽開口設計下的仿真數據。
1. T-n曲線和P-n曲線
首先是T-n曲線和P-n曲線，下圖是仿真的原始數據(因篇幅問題未完全展示)。
繪製不同槽開口下的T-n和P-n曲線，如下圖。
圖10 不同槽開口下的T-n曲線對比
從T-n曲線圖中可以看出，隨著槽開口的增加，轉折點轉速略有提高，恆轉矩區的轉矩也有改善，但是高速段的轉矩會有明顯下降，因此需要確定一個合適的槽開口取值，不宜過大或過小，從圖中可以看出大於1.8mm的設計不滿足客戶高速段的需求。
比對客戶的性能規格並考慮設計餘量，我們可以確定槽開口在1.0mm-1.6mm範圍內為比較理想的設計。
2. 齒槽轉矩
那在這個範圍選擇哪個槽開口更好呢？我們繼續利用Motor-CAD的仿真數據優化方案，下面分析在不同的槽開口下，齒槽轉矩的不同，如下圖。
圖11 不同槽開口下的齒槽轉矩對比
從上圖可以發現，隨著槽開口的增大，齒槽轉矩在逐漸增大，因此選擇較小的槽開口有利於減小齒槽轉矩對電機的影響。針對本案例，槽開口在0.6到2.4mm範圍內的設計均滿足齒槽轉矩的要求。
3. 轉矩波動
不同的槽開口，轉矩波動也會不同，如下圖。
圖12 不同槽開口下的轉矩波動對比
從上圖可以看出，隨著槽開口的增加，轉矩波動在減小，根據客戶的需求，在1.2mm以上的槽開口均滿足設計要求。
4. 反電勢波形
下圖是不同槽開口下的反電勢波形，可以看出槽開口對電機的反電勢影響不大，波形基本上是重合的。
簡單解釋一下，從公式可知，反電勢主要和勵磁磁場的磁感應強度，轉子的旋轉速度以及切割導體的有效長度有關，和槽開口關係不大。
圖13 不同槽開口下的反電勢對比
5. 齒部磁密和軛部磁密
仿真得到的齒部磁密和軛部磁密如下圖所示，可以看出，隨著槽開口的減小，齒部磁密趨於飽和，軛部磁密相對齒磁密較小可以不考慮飽和。在設計時尤其要注意飽和對電機性能的影響，綜合考量槽開口在1.6以上較為合適。
圖14 不同槽開口下的齒部磁密對比
圖15 不同槽開口下的軛部磁密對比
至此，我們將需要考量的主要電機參數均分析完畢，現做一總結如下表。
從表中可知，綜合轉矩波動、齒槽轉矩和高速T-n性能等多項客戶設計要求和齒部磁密的飽和考量，選定槽開口1.6mm的電機設計方案。
三．電機控制方面的優化
在確定了電機的本體結構設計後，還應注意到客戶需求中的工作點在基本仿真計算時存在未完全覆蓋的情況，因此需要採用Motor-CAD參數化的方法確定合適的仿真步長來滿足的客戶要求，同時優化定子電流Id，Iq，使轉矩隨著轉速的升高輸出更平滑。參數化的基本設置如下，通過細分設定電流超前角獲得更多轉速下的性能點。
圖16 Motor-CAD參數化設計示例
根據仿真的性能點製作實驗樣機，樣機測試時在各工作點適當優化Id和Iq使輸出T-n曲線更加平滑。
得到的電機仿真數據和實測數據於客戶指標的對比如下圖。
圖17 電機仿真和實測T-n曲線與客戶指標的對比
如上圖所示，所設計的電機仿真T-n曲線和實測曲線均滿足客戶的設計要求，因客戶只要求4000rpm以下的性能，因此未對仿真點5033rpm和6071rpm兩點進行實際測試。
四. 小結
綜上，利用Motor-CAD可以對電機的設計方案進行快速評估，進而通過場路耦合和參數化設計對電機的重點設計指標進行合理優化，Motor-CAD相較於傳統的FEA仿真，具有場路耦合時間短和精確度較高的優勢，這對於擁有自主研發能力的電機公司方案提出、優化和確定是非常有幫助的。