01 案例背景

轴向磁通电机（AFPM）又称盘式电机，是一种特殊结构的电机。其磁通方向平行于电机旋转轴轴向方向，区别于传统径向磁通电机的径向磁通路径，这种设计带来显著优势：极高的功率密度和扭矩密度，更短的磁路带来更高的效率，优异的散热性能，以及紧凑的轴向尺寸和轻量化。特别适合应用于空间受限、要求高功率/高效率的应用场景。

而双转子的轴向磁通电机通过双侧磁路工作，磁场利用率翻倍，进一步提高了峰值效率和工况效率，将功率密度、扭矩密度和散热效能推向，成为高性能电动汽车、航空航天、高端工业和机器人等领域追求极限效率与紧凑性的解决方案之一。

本案例通过INTESIM低频电磁有限元模块对双转子轴向磁通电机模型进行三维瞬态仿真，模拟仿真电机在峰值工况下的瞬态运动输出特性，指导电机的设计与优化。

02 案例功能特点

03 案例分析：从几何模型到运动设置

本案例为20极18槽双转子轴向磁通电机，额定转速6000rpm，额定功率95KW。

其中定转子采用高性能硅钢片叠压而成，定子采用不导磁的定子支架固定，转子为减小损耗进行分块处理，绕组采用集中绕组，并联支路数为2，绕组匝数24，槽满率73.2%，永磁体按N/S均匀排布在转子表面上，使其中心与转子分块空隙对齐，且上下转子相同位置的永磁体磁性相同。

图2  双转子轴向电机几何模型

材料参数

本案例用到的材料：定转子铁芯为B35A250硅钢片，叠压系数0.98，磁钢采用N45UH钕铁硼，绕组采用Copper铜，空气域为空气。材料属性如下表所示：

表1  材料属性表

上表中的材料B-H曲线如下图：

图3  铁芯硅钢片B-H曲线

边界及激励

（1）磁通量平行边界

本案例采用有限元算法分析双转子轴向磁通电机的动态特性，在模型外围需建立空气外域，同时在空气外域的外边界设置磁通量平行边界。

（2）三相绕组激励

本案例为集中绕组，跨距为1。对三相绕组进行分相，A、B、C三相分别成120°电角度排列，并联支路数为2，绕组匝数为24匝，如下图所示，其中红色为A相绕组，黄色为B相绕组，蓝色为C相绕组。

图4  A、B、C三相绕组排布

其绕组平面展开图如下：

图5  A、B、C三相绕组平面展开图

拟定电机为正弦波电流源驱动方式，在全局中编辑电流源激励函数，分别加载A、B、C三相电流，其中三相电流两两相差120°。

为将电流源激励加载在电机线圈绕组上，需在绕组设置中对电机绕组分相，并对各个线圈进行电机绕组截面设置。在3D电机仿真过程中，每个绕组只需要建立一个线圈截面，且电流激励须垂直流入/流出线圈截面，才能达到正确的仿真效果。在绕组界面中进行并联支路数设置，在线圈截面中设置绕组匝数。A相绕组设置界面示例如下：

（a）A相绕组设置                                                 （b）线圈截面设置

图6  A相线圈绕组设置

（3）运动控制

该案例为电机的瞬态仿真，其额定转速为6000rpm，额定频率1000Hz。由于本案例模型为18槽20极电机，为使转子磁场轴线与定子磁场A相中心对齐，设置转子初始位置角为2°。运动区域为band域内的各部分转子及磁钢，对电机进行相关运动控制及动网格设置，以输出准确的电磁转矩。由于本案例为双转子双band案例，须设置两部分band及相应区域的运动控制，输出两部分刚体运动转矩，其运动控制设置如下：

图7  电机双band刚体运动控制设置

网格剖分

本案例为三维双转子轴向磁通电机的瞬态仿真，其构成组件较多，为了保证计算结果的准确性和尽可能的减少仿真所需的时间，需要对部分空气域进行拆分，然后分别划分网格。此外电机在瞬态运动过程中，其动态运动区域的网格也会不断的运动，要对动网格区域进行加密剖分，其网格剖分的质量对电机转矩的计算结果有较大的影响。整个计算域采用共节点网格进行剖分，总网格数量为126万。其网格如下：

图8  INTESIM 电机三维网格

铁耗设置

在轴向电机中，由于定转子铁芯的用量较大，加上电机转速的增加，电机的频率也会随着增大，电机在高速旋转的时候其铁耗会体现的较为明显，是仿真设计电机过程中不可忽略的一环，直接影响电机的峰值功率和整体温升，影响电机的运行可靠性。

利用INTESIM-Emag可对电机铁耗进行仿真，为计算较为准确的铁耗，设置仿真时长为2倍周期以上的时间。

INTESIM-Emag铁耗计算支持各部分组件分别铁耗计算和各部分铁耗总和的计算，选择各部分铁耗组件，建立单元Set。

图9  电机铁耗设置

04 计算结果

在电机的开发设计过程中，主要仿真电机在各个仿真工况下的输出转矩、反电势、磁密、电密等性能指标，本文以该模型的峰值工况进行仿真。

（1）电机峰值工况下的输出转矩

由于电机为双子电机，需要在计算峰值扭矩的时候在后处理过程中对两部分band的输出扭矩求和。峰值扭矩平均值与商软对标差异1.91%。

图10  双转子轴向电机输出峰值转矩

（2）电机峰值工况下的反电势

在峰值工况下，本案例电机反电势有效值与商软对标差异1.52%。

图11  转子轴向电机峰值反电势

（3）电机峰值工况下的铁耗曲线

在峰值工况下，本案例电机的铁芯损耗在稳定后的平均值与商软对标差异4%。

图12  峰值工况下的定转子铁芯损耗

（4） 电机峰值工况下在1ms时的磁密

图13(a)  INTESIM磁密云图                                            图13(b)  对标商软磁密云图

（5） 电机峰值工况下磁密随时间变化的云图分布动画

图14 转子运动及磁密云图分布动画

（6） 电机峰值工况下在1ms时的电流密度

图15(a)  INTESIM电密云图                                                       图15(b)  对标商软电密云图

（7） 电机峰值工况下电流密度随时间变化的云图分布动画

图16 转子运动及电流密度云图分布动画

从仿真结果来看，利用INTESIM-Emag模块可以实现轴向双转子电机的三维仿真设计。该电机的峰值输出转矩、峰值反电势均满足电机的设计要求。根据电机的峰值工况，仿真计算得出电机的铁耗占比并不高，电机的磁密分布合理，电流密度也低于工程经验值，说明电机在实际工况下可以稳定高效的运行。通过与商软的对标也进一步验证了本案例双转子轴向磁通电机仿真的准确性。

05 案例总结与展望

本案例使用INTESIM低频电磁有限元模块，基于复杂三维模型的瞬态求解，采用多band域运动控制、绕组设置、3D局部网格细化剖分、铁耗设置等精细化仿真功能，实现了该双转子轴向磁通电机的动态特性精确求解。

仿真计算得到电机输出转矩、反电势、铁耗等电机性能功耗曲线，以及电机在运动过程中的动态磁密云图、电密云图等其他场的分布云图。

分析结果表明，INTESIM在各工况下的计算结果均与对标商软基本一致。具备轴向磁通电机的精确仿真能力，也满足双band乃至多band域的仿真设计需求。

本案例验证了INTESIM低频电磁模块对双转子轴向磁通电机瞬态运动特性的仿真能力，能够为广大用户提供准确可靠的仿真结果，支撑电机的设计方案。

06 结语：仿真验证与设计支撑的价值落地

双转子轴向磁通电机作为高端装备领域的核心动力部件，其性能优化离不开精准的仿真技术支撑。

无论是为电机设计工程师提供优化方向，还是为行业从业者展现先进仿真技术的应用价值，本案例都具有重要参考意义。

未来，随着仿真技术的不断迭代，双转子轴向磁通电机将在更多高端场景中实现性能突破，为产业升级注入强劲动力。