Maxwell 2D 的一些说明
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一、 UDP 的简要说明
User Defined Primitives ，“用户预定义模型”，即软件为特定的用户（电机设计用户）预先开发的电机部件模板。以图1定子2D 冲片模型为例讲解。图3给出了生成这个模型的UDP 数据。 图1 某定子2D 冲片模型
图3 定子槽的UDP 数据
从图3可知，定子UDP 的模型数据大体分为以下几类：
① 标识数据：即前5项数据，这些数据包括1)Command ，表明这个模型是UDP 建立的；2)
基础坐标系，
a) b)
楼宇对讲门禁系统图2 两种常用的定子槽型
a) SlotType=2（梨形槽） b)SlotType=3（平底槽）
表明UDP模型所在的坐标系；3）DLL Name，即UDP的门类和名称（如SlotCore是带绕线的定转子铁心，PMCore是带永磁体的定转子铁心）；4）DLL Location，即UDP所在的库位置。5）DLL Version即UDP的版本。
②基本尺寸：包括4项。1）定子的内径（DiaGap，即铁心考气隙侧直径）；2）定子外径（DiaYoke，即铁心铁轭侧的直径）; 3)轴向长度Length，仅在3D分析时有效，2D中要把这个数值置零；4）斜槽skew，即定子沿着轴向叠片，最后一块叠片与第一块叠片之间斜过的角度。 a)不斜槽skew=0 b)斜槽skew=15deg
图4 不斜槽与斜槽的3D模型比较
③槽型数据：包括槽的个数、槽型、槽的各项尺寸，以及槽的其他一些不常用的状态字。1）槽数Slots。即沿着圆周分布的槽的个数。2）槽型SlotType，常用的有5~6种槽型，其中SlotType=2,SlotType=3是较为常用的槽型，只要合理回避齿部饱和，槽型的选择对电磁性能影响不大，仅对电机的嵌线工艺和杂散铁耗有差别。3）槽的各项尺寸，如图2所示，Bs0~Rs各项尺寸的标注。槽的尺寸设计，要服从于定子齿的设计，并服从于嵌线的要求。槽的尺寸对磁路影响较大，对电机的热负荷影响较大。4）圆角类型状态字FilletType，即图2中的槽底，圆角的Rs的类型，倒出来的圆角是1/4圆，还是与两个直线边相切，就要看FilletType的状态字。5）是否为刀型槽HalfSlot状态字，不常用。6）弧线分段角SegAngle，槽总是难以避免由部分弧线构成，对这种弧线是否分段为较短的直线段，以及分段角是多少，都是由这个参数确定。
④用途状态字：InfoCore。一般来讲，SlotCore常用来生成铁心，但因为2D有限元分析中必须的空气包OuterRegion的外径与定子外径是相同的，这个外径数据可以被用来生成OuterRegion。只要把UDP定子铁心的模型幅值一下，把InfoCore的状态字由0改到100，就生成了OuterRegion。而LenRegion这个状态字，则是InfoCore=100时，3D建模中OuterRegion的轴向长度。
很多UDP模型都具有InfoCore状态字，从而能用一套相同的尺寸数据，生成不同的模型。比如，PMCore 的UDP中，即包含了转子的铁心数据，又包含了转子的磁极数据，当InfoCore=0时，生成铁心。当InfoCore=1时，生成永磁体。当InfoCore=100时，生成空气包。
2.1 手动划分的种类
对于有限元方法来讲，网格划分的质量对结果的精度影响很大。Maxwell 2D/3D中，可以自动地进行网格划分。一般来讲，只要网格已经处于收敛的趋势，网格越密，则计算结果越精确。但软件的自动划分并不非常智能，往往只能均匀用力，均匀加密全局网格，不能突出重点需要加密的位置，因此常常需要手
动设置网格。
如图5所示，手动网格划分的类型，在Maxwell 2D中常有这么几类：1) On Selection，即模型边缘划分。2）Inside Selection，即模型内部划分。3）Surface Approximation，表面逼近。
图5 网格划分的选项
1）Inside Selection是最简单常用的网格划分方法，很多电机模型中，只用到这一种划分方式，即可得到比较满意的结果。它划分的实体，内部网格大小是基本均匀的，需要加密的磁场位置，只需要建模时单独把那部分实体割分出来即可单独设置增加密度。
2）On Selection使用较少，它仅决定实体边缘上的网格三角形的数量或边长，对实体内部无效。Inside Selection和On Selection的主要区别可由图6看出。图6中两个划分的设置中，三角形边长的限制值是一样的，只不过是一个限制在了实体的内部，一个仅限定在了实体的边缘上。
a) Inside Selection b) On Selection
图6 内部划分和边缘划分的区别
3）Surface Approximation使用较少，可以参考《Ansoft 12在工程电磁场中的应用》中的有关内容，对于实体中复杂曲线边缘的网格进行优化。
2.2 网格划分的原则
除了要了解这几种手动网格的类型，还要知道如何在实体上进行网格刨分的技巧。因此，要把握这几点：
1）同一个模型中，不同材料的实体的网格刨分的疏密程度是不相同的。这是因为不同实体的材料不
同，因此磁导率也不同，在同一磁路中的磁压降也不同。而2D有限元的场分布都是由磁位来直接求得的，因此，磁位变化大的地方网格要密，磁位变化小的地方网格要系数。
2）有时候，相同磁导率的材料，网格刨分也不相同。比如“气隙”与“定子槽”的材料都是空气，但是因为气隙中的磁密很高，而定子槽中基本没有磁场，所以，定子槽内的网格可以很稀疏。再比如，对于凸极电机，d轴和q轴的气隙磁密不同，因此两个位置的网格密度也可以不同。
3）对于层次上重叠的模型，网格划分有一个特点，小面积模型居于上层，因此它的网格优先级最高。大面积模型的网格优先级低，只有没被小面积模型覆盖的地方，才使用作为背景底层的大面积模型的网格设置。
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4）高密度网格和低密度网格的衔接的地方，网格密度是渐变的，可衔接的，因此，大大简化了人为控制网格的难度。
2.3 网格划分例子水貂笼
举个例子来说明网格划分。图7所示8P12S的永磁电机。其定子槽和内空气包（InnerRegion）单独建模（图8），并单独划分网格密度，目的是在不影响其他实体模型网格刨分的基础上，降低这两处的网
格密度，在不影响精度的情况下，减少工作量。在这个模型上，仅用Inside Selection单一的划分方法进行刨分。
图7 原型电机8 “定子槽”和“内空气包（InnerRegion）”单独建模的模型
网格刨分遵循以下的规则：
1）气隙。多数电机的气隙长度在1mm左右，因此气隙网格长度常为0.8mm~1.5mm，即把气隙网格分成1~2层。例子中计划把气隙网格分成至少4层，以精确刻画气隙、磁极边缘、定子槽口的磁场分布。
该电机的最小气隙是0.75mm，因此分让最小气隙两层的话，经验上讲，应该使网格的边长为层厚的sqrt(3)倍，网格最大三角形边长应该是略大于sqrt(3)*(0.75/2)=0.65mm，而若是分4层，最大三角形边长应该是介于sqrt(3)*(0.75/4)=0.33mm和0.65mm之间。因此，定义气隙内部的最大网格长度为0.4mm。2）硅钢片。硅钢片的磁导率不饱和时是空气的几千倍，因此，网格可以比空气中稀疏很多。但是硅钢片仍有局部饱和现象，饱和时(1.5~1.8T)，dB/dH就比空气大不了多少倍了。因此，一般气隙网格密度在1mm左右的电机，铁心硅钢片的网格密度常设定在3mm~20mm之间。以实现磁压降与网格密度的协调。因此，硅钢片的网格划分为4mm。
3）永磁体。永磁体的内磁阻的磁导率基本上和空气相等，因此，可以采用与一般气隙一样的网格划分，这里是1mm。
4）转轴。转轴用不锈钢，磁导率也和空气相同，但它不像永磁体那样会有磁场经过。因此，它可以划分很稀疏的网格，而不影响结果。其内部网格限制为8mm。
5）定子槽和交轴气隙。定子槽不走磁场，网格可以稀疏，为4mm。交轴气隙被InnerRegion包围，并且减去了各个永磁体、转子铁心和转轴，交轴气隙内磁密稍低，不需要气息中0.4mm那么小而密的网格，其边长限制为1mm即可。
针对以上规则的网格长度限制统计如下表所示：
齿槽转矩表1 网格长度限制统计
网格名 包含模型 三角形最大边长(mm)
Length_Inside_InnerRegion InnerRegion 1
Length_Inside_OuterRegion&Band
OuterRegion, Band
（代表气隙的高密度网格）
0.4
Length_Inside_RotorCore RotorCore 4 Length_Inside_Shaft Shaft 8 Length_Inside_Slots Slots 4
Length_Inside_StatorCore StatorCore 4 Length_Inside_Mag Pole1~Pole8 1
软件自动刨分和手动刨分的效果如图9和图10所示。可以看出，手动刨分的网格合理很多。
图9 自动刨分图10 手动刨分
图11 手动刨分的局部（看交直轴下网格密度的不同）
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