直线电机COMSOL仿真案例

date

Oct 18, 2023

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lmcomsol

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0 Preface

COMSOL官方直线电机二维模型案例应用的是“周期性条件”特征，无法准确评估有限长度直线电机的电磁特性。因此本例结合官方案例探索出一种有限长度直线电机的电磁仿真方法。

特别地，本案例方法中参数不一定合理，设置不一定完全正确，方法也不是最优方法。但是本案例已通过ANSYS Maxwell建立相同模型进行了仿真验证，两者电磁性能基本一致，因此可以保证的是本案例方法是可行的，可以提供一种参考思路。至于是不是完全准确，那就再说吧…… 💨

该案例会完全开源，但是由于COMSOL反盗版协议，直接开源COMSOL模型会有风险~~（我已经收到过一次邮件警告和封过一次号了）~~因此，模型dxf文件和ANSYS Maxwell文件会直接开源，COMSOL模型如有需要请私下联系我（Email: narcos@foxmail.com）除此以外，还可以参考视频教程。

00 准备

Version: COMSOL Multiphysics 6.1 (Build: 282)

CAD File👇

linearmotor.dxf

136.9KB

ANSYS Maxwell Project File👇

linearmotor.aedt

1229.2KB

1 建模操作说明

建议配合视频步骤

1.1 新建

在新建窗口中，单击模型向导。

1 二维。 2 AC/DC> 电磁场 > 磁场 (mf)。 3 稳态。

1.2 几何1

单位 mm。

（此部分采用DXF导入建模，所以涉及到提取、并集和装配操作，十分繁琐。下述步骤较为简单，建议参考视频步骤一步一步来）

1.2.1 导入 (imp1)

1 右键几何选择导入。 2 导入 linearmotor.dxf 。

1.2.2 stator1 (extract1)

1 右键选择提取 (extract)。 2 几何实体层选择域。 3 选择上部分铁心。 4 输入对象处理选择创建其余对象。 5 构建选定对象。

（下述相同方法）

1.2.3 stator2 (extract2)

1.2.4 pms (extract3)

1.2.5 coils1 (extract4)

1.2.6 coils2 (extract5)

1.2.7 statorair1 (extract6)

1.2.8 statorair2 (extract7)

1.2.9 mapair1 (extract8)

1.2.10 mapair2 (extract9)

1.2.11 moverair1 (extract10)

1.2.12 moverair2 (extract11)

1.2.13 moverair (extract12)

1.2.14 Stator1 (uni1)

1.2.15 Stator2 (uni2)

1.2.16 Mover (uni3)

1.2.17 形成装配 (fin)

1.3 定义

此部分可以方便后续选择域，也可以忽略。

1.3.1 选择（显式）

PM_N

域 55, 57, 59, 61, 63

PM_S

域 56, 58, 60, 62, 64

Iron

域 1, 67

域 68–71, 80–83, 92–95, 104–107

域 72–75, 84–87, 96–99, 108–111

域 76–79, 88–91, 100–103, 112–115

域 3–6, 15–18, 27–30, 39–42

域 7–10, 19–22, 31–34, 43–46

域 11–14, 23–26, 35–38, 47–50

mapedge1

边界 255–256

mapedge2

边界 305, 308

1.4 材料

不同域给定不同材料

1.4.1 Air (mat1)

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 所有域

1.4.2 Copper (mat2)

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 3–50, 68–115

1.4.3 Soft Iron (Without Losses) (mat3)

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 1, 67

1.4.4 BMN-48SH (mat4)

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 55–64

1.5 定义

给定仿真参数

1.5.1 参数

名称	表达式	值	描述
v	2[m/s]	2 m/s
t	0[s]	0 s
airgap	1[mm]	0.001 m
Lef	55[mm]	0.055 m
ipp	11[A]	11 A
tau	10[mm]	0.01 m
fs	v/2/tau	100 1/s

1.5.2 变量1

名称	表达式	单位	描述
ia	ippsin(2pifst)	A
ib	ippsin(2pifst - 2*pi/3)	A
ic	ippsin(2pifst + 2*pi/3)	A

1.5.3 组件1变量2（可省略）

名称	表达式	单位	描述
F_phi	mf.Bx*mf.By/mu0_const	Pa
Force1	intop1(F_phi)/(airgap/4)*Lef	N
Force2	intop2(F_phi)/(airgap/4)*Lef	N

1.5.4 非局部耦合（可省略）

积分1

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 54

积分2

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 52

1.6 动网格1

此部分参考电磁柱塞。

1.6.1 指定变形1

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 52–64

指定变形

描述	值
指定变形	{v*t, 0, 0}

1.6.2 变形域1

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 51, 65

平滑处理

描述	值
网格平滑类型	拉普拉斯

1.6.3 固定边界1

几何实体层	边界
选择	几何 geom1: 维度 1: 边界 254, 309

1.6.4 指定法向网格位移1

几何实体层	边界
选择	几何 geom1: 维度 1: 边界 255–256, 305, 308

1.7 磁场（mf）

1.7.1 安培定律1（无需设置）

1.7.2 磁绝缘1（无需设置）

1.7.3 初始值1（无需设置）

1.7.4 Iron

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 1, 67

本构关系 B-H Settings

Description	Value
磁化模型	B - H 曲线
磁场模	来自材料
磁共能密度	来自材料

1.7.5 PMs

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 55–64

磁体Settings

Description	Value
方向法	指定南北边界
图案类型	线性图案（或基于域索引）
周期性类型	交变

本构关系 B-H Settings

Description	Value
磁化模型	剩余磁通密度
回复磁导率	来自材料
剩余磁通密度模	来自材料

北1

几何实体层	边界
选择	几何 geom1: 维度 1: 边界 265

南1

几何实体层	边界
选择	几何 geom1: 维度 1: 边界 266

1.7.6 U1

几何实体层	域
名称	U1
选择	命名 sel4: 几何 geom1: 维度 2: 域 68–71, 80–83, 92–95, 104–107

线圈Settings

Description	Value	Unit
线圈名称	U1
导线模型	均匀多匝
线圈组	开
线圈激励	电流
线圈电流	ia	A

均匀多匝导线Settings

Description	Value	Unit
匝数	10
线圈导线电导率	6E7	S/m
线圈导线截面积	用户定义
线圈导线截面积	1E-6	m²

反向电流方向1

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 69–70, 80, 83, 93–94, 104, 107

1.7.7 V1

几何实体层	域
名称	V1
选择	命名 sel5: 几何 geom1: 维度 2: 域 72–75, 84–87, 96–99, 108–111

线圈Settings

Description	Value	Unit
线圈名称	V1
导线模型	均匀多匝
线圈组	开
线圈激励	电流
线圈电流	ib	A

均匀多匝导线Settings

Description	Value	Unit
匝数	10
线圈导线电导率	6E7	S/m
线圈导线截面积	用户定义
线圈导线截面积	1E-6	m²

反向电流方向1

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 72, 75, 85–86, 96, 99, 109–110

1.7.8 W1

几何实体层	域
名称	W1
选择	命名 sel6: 几何 geom1: 维度 2: 域 76–79, 88–91, 100–103, 112–115

线圈Settings

Description	Value	Unit
线圈名称	W1
导线模型	均匀多匝
线圈组	开
线圈激励	电流
线圈电流	ic	A

均匀多匝导线Settings

Description	Value	Unit
匝数	10
线圈导线电导率	6E7	S/m
线圈导线截面积	用户定义
线圈导线截面积	1E-6	m²

反向电流方向1

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 77–78, 88, 91, 101–102, 112, 115

1.7.9 U2

几何实体层	域
名称	U2
选择	命名 sel7: 几何 geom1: 维度 2: 域 3–6, 15–18, 27–30, 39–42

线圈Settings

Description	Value	Unit
线圈名称	U2
导线模型	均匀多匝
线圈组	开
线圈激励	电流
线圈电流	ia	A

均匀多匝导线Settings

Description	Value	Unit
匝数	10
线圈导线电导率	6E7	S/m
线圈导线截面积	用户定义
线圈导线截面积	1E-6	m²

反向电流方向1

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 4–5, 15, 18, 28–29, 39, 42

1.7.10 V2

几何实体层	域
名称	V2
选择	命名 sel8: 几何 geom1: 维度 2: 域 7–10, 19–22, 31–34, 43–46

线圈Settings

Description	Value	Unit
线圈名称	V2
导线模型	均匀多匝
线圈组	开
线圈激励	电流
线圈电流	ib	A

均匀多匝导线Settings

Description	Value	Unit
匝数	10
线圈导线电导率	6E7	S/m
线圈导线截面积	用户定义
线圈导线截面积	1E-6	m²

反向电流方向1

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 7, 10, 20–21, 31, 34, 44–45

1.7.11 W2

几何实体层	域
名称	W2
选择	命名 sel9: 几何 geom1: 维度 2: 域 11–14, 23–26, 35–38, 47–50

线圈Settings

Description	Value	Unit
线圈名称	W2
导线模型	均匀多匝
线圈组	开
线圈激励	电流
线圈电流	ic	A

均匀多匝导线Settings

Description	Value	Unit
匝数	10
线圈导线电导率	6E7	S/m
线圈导线截面积	用户定义
线圈导线截面积	1E-6	m²

反向电流方向1

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 12–13, 23, 26, 36–37, 47, 50

1.7.12 连续性1

几何实体层	边界
选择	几何 geom1: 维度 1: 所有边界

对选择Settings

Description	Value
对	一致边界对 1 (ap1)

1.7.13 连续性2

几何实体层	边界
选择	几何 geom1: 维度 1: 所有边界

对选择Settings

Description	Value
对	一致边界对 2 (ap2)

1.7.14 力计算1

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 55–64

力计算Settings

Description	Value	Unit
力名称	Fe
扭矩轴，x 分量	0
扭矩轴，y 分量	0
扭矩轴，z 分量	1
扭矩旋转点，x 分量	0	m
扭矩旋转点，y 分量	0	m
扭矩旋转点，z 分量	0	m

1.8 网格1

1.8.1 大小 (size)

描述	值
最大单元大小	13.7
最小单元大小	0.0612
曲率因子	0.3
最大单元增长率	1.3

1.8.2 Iron (size1)

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 1, 67

描述	值
最小单元大小	0.0612
最小单元大小	关
曲率因子	0.3
曲率因子	关
狭窄区域分辨率	关
最大单元增长率	1.3
最大单元增长率	关
定制单元大小	定制

1.8.3 Coil (size2)

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 3–50, 68–115

描述	值
最小单元大小	0.0612
最小单元大小	关
曲率因子	0.3
曲率因子	关
狭窄区域分辨率	关
最大单元增长率	1.3
最大单元增长率	关
定制单元大小	定制

1.8.4 statorair (size3)

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 2, 66

描述	值
最大单元大小	0.5
最小单元大小	0.0612
最小单元大小	关
曲率因子	0.3
曲率因子	关
狭窄区域分辨率	关
最大单元增长率	1.3
最大单元增长率	关
定制单元大小	定制

1.8.5 moverair (size4)

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 52–54

描述	值
最小单元大小	0.0612
最小单元大小	关
曲率因子	0.3
曲率因子	关
狭窄区域分辨率	关
最大单元增长率	1.3
最大单元增长率	关
定制单元大小	定制

1.8.6 PMs (size5)

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 55–64

描述	值
最大单元大小	0.6
最小单元大小	0.0612
最小单元大小	关
曲率因子	0.3
曲率因子	关
狭窄区域分辨率	关
最大单元增长率	1.3
最大单元增长率	关
定制单元大小	定制

1.8.7 映射1 (map1)

这一步比较关键

几何实体层	域
选择	几何 geom1: 维度 2: 域 51, 65

描述	值
迭代次数	4
要处理的最大单元深度	4

分布1 (dis1)

几何实体层	边界
选择	几何 geom1: 维度 1: 边界 254, 309

描述	值
单元数	20

分布2 (dis2)

几何实体层	边界
名称	mapedge1
选择	命名 sel10: 几何 geom1: 维度 1: 边界 255–256

描述	值
分布类型	预定义
单元数	50
单元大小比	5

分布3 (dis3)

几何实体层	边界
名称	mapedge2
选择	命名 sel11: 几何 geom1: 维度 1: 边界 305, 308

描述	值
分布类型	预定义
单元数	50
单元大小比	5
反向	开

1.8.8 自由三角形网格1 (ftri1)

几何实体层	域
选择	剩余部分

描述	值
迭代次数	4
要处理的最大单元深度	4

2 研究2

添加一个瞬态的研究

2.1 瞬态

时步	单位
range(0,1/fs/100,2/fs)	s

2.2 求解器配置

瞬态求解器1>全耦合1

方法和终止

描述	值
雅可比矩阵更新	在每次迭代中
最大迭代次数	25
容差因子	0.2

开始计算

3 结果

3.1 磁通密度模 (mf)

3.2 Thrust

1 右键结果选择一维绘图组 2 命名为Thrust 3 设置轴坐标、图例等 4 右键Thrust选择全局 5 添加表达式mf.Forcex_Fe 6 绘图

3.3 VCoil1

3.4 VCoil2

3.5 Fluxlinkage1

3.6 Fluxlinkage2

3.7 Current1

3.8 Current2

3.9 Force_cal（可忽略）

该方法为取气隙中的电磁力波，然后通过麦克斯韦张力法计算得到电磁力

3.10 Force_cal_contrast（可忽略）

两种电磁力计算方法对比

4 ANSYS Maxwell对比

基于相同的模型和激励设置

4.1 模型

仿真步骤不一一给出，可参考开源仿真文件

4.2 结果

推力波形周期一致，值差不多，因此COMSOL按照此案例方法可行。

Source File：

Github or Gitee

BiliBili video

Email: narcos@foxmail.com