[发明专利]基于Python和Maxwell的永磁球形电机三维电磁转矩自动化分析方法

说明书

本发明提供了一种基于Python和Maxwell的永磁球形电机三维电磁转矩自动化分析方法，采用Maxwell建立完整的永磁球形电机三维模型，并添加仿真参数、激励参数和计算参数。采用基于python语言的脚本程序实现对仿真过程的自动化控制，所述基于python语言的脚本程序包括初始化模块、循环模块、仿真参数数值产生模块、仿真参数设置模块、仿真计算模块、仿真结果报告生成与导出模块。该永磁球形电机电磁转矩自动化求取方法采用基于python语言的脚本程序从外部控制Maxwell仿真进程，自动修改永磁球形电机仿真参数并获取电磁转矩仿真数据，提高了仿真计算的灵活性，并节省了大量人工成本和时间成本。

技术领域

本发明涉及永磁球形电机控制系统的技术领域，具体涉及一种基于Python和Maxwell的永磁球形电机三维电磁转矩自动化分析方法。

背景技术

随着工业制造业的快速发展以及人力成本的急剧上升，机器人、机械臂、全景摄像头等可以在多维空间内实现高精密伺服运动装置得到了广泛需要和应用。为了实现多自由度运动通常采用多台单自由度电机结合机械传动机构相互配合，导致系统体积和重量增加、机械可靠性降低、动态性能较差。因此，国内外的研究学者提出了一种可实现多自由度运动的球形电机，其中永磁球形电机以其结构简单、体积小、重量轻等优点受到较多关注。

永磁球形电机控制系统包括运动学建模、电磁转矩建模、位置检测和运动控制，其中电磁转矩分析是永磁球形电机电磁转矩建模中不可缺少的部分。由于永磁球形电机特殊的三维球结构和永磁体排布，无法采用常规电机的电磁转矩分析方法。针对永磁球形电机，通常采用的分析方法有三种：其一，先在Maxwell等电磁分析仿真软件中建立单一永磁体和线圈模型，进行单维电磁转矩分析，再根据空间结构关系推算整机三维电磁转矩；其二，采用磁路法、等效磁网络等磁场简化分析方法，对单一永磁体和线圈模型进行单维电磁转矩分析，再根据空间结构关系推算整机三维电磁转矩；其三，在Maxwell等电磁仿真软件中建立完整的永磁球形电机，设置仿真参数进行三维电磁转矩分析。但是，上述建模方法有如下缺陷：

与本发明相关的现有技术，其一，先在Maxwell等电磁分析仿真软件中建立单一永磁体和线圈模型，进行单维电磁转矩分析，再根据空间结构关系推算整机三维电磁转矩；其二，采用磁路法、等效磁网络等简磁场化计算方法，对单一永磁体和线圈模型进行单维电磁转矩分析，再根据空间结构关系推算整机三维电磁转矩；其三，在Maxwell等电磁分析仿真软件中建立完整的永磁球形电机，设置仿真参数进行三维电磁转矩分析。现有技术的缺点：1)采用由单一永磁体和线圈模型推算到整机的方式，对永磁体和线圈的形状、充磁方式有一定要求，并不能适用于所有特殊结构的球形电机；2)采用磁路法、等效磁网络法等磁场简化计算方法虽效率较高，但很难精确描述磁场分布情况，并且缺乏灵活性；3)在Maxwell等基于有限元得电磁分析仿真软件中建立完整的永磁球形电机进行电磁仿真分析，可以满足精度要求。但计算负担较重，且设置仿真参数的变化规律较死板。在分析仿真参数非规律变化的三维电磁转矩时效率较低，灵活性较低，耗时耗力。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种基于Python和Maxwell的永磁球形电机三维电磁转矩自动化分析方法，采用基于有限元的Maxwell电磁分析仿真软件建立完整的永磁球形电机模型，保证了电磁分析精度。在此基础上采用基于python语言的脚本程序控制Maxwell中仿真进程，自动化控制仿真参数变化，实现永磁球形电机电磁转矩的自动化分析。

本发明采用的技术方案为：一种基于Python和Maxwell的永磁球形电机三维电磁转矩自动化分析方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据永磁球形电机机械结构，在Maxwell中定义合适的形状、材料、结构，建立完整的永磁球形电机三维模型，其中包括定子球壳、转子球铁芯、输出轴、永磁体、电磁线圈部件；

步骤S2：将转子球铁芯、所有永磁体和输出轴视为转子体，在所述转子体的赤道面上构建一个辅助面并以该辅助面为基准定义辅助面局部坐标系，在该辅助面局部坐标系下在转子体上设置电磁转矩作为计算值；