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Motor-CAD 手动操作指南 — 轴向磁拉力求解与看结果

适用: Motor-CAD 2026R1 (v261), 模型 MARS-12S10P (Axial Flux BPM, SSSR)。 说明: 核心开关与数据位置均经脚本实测 (变量名在括号中注明); 个别 GUI 菜单 措辞可能因版本略有出入, 以实际界面为准。

第 1 步 启动与打开模型

1. 启动: 开始菜单 "Ansys Motor-CAD 2026 R1"，或直接运行 E:\Program Files\ANSYS Inc\v261\motorcad\MotorCAD.exe。
2. File → Open，选 MARS-12S10P_SSSR_D76-C150_V5.0-0819.mot。
3. 立刻 File → Save As 另存副本 (如 output_motorcad/ 下带日期的文件名)， 避免污染原模型 —— 项目纪律。
4. 确认左上模型类型为 BPM / Axial Flux (基于 YASA 模板)。

第 2 步 核对几何 (Geometry 页)

• Radial / Axial 两个视图切换查看。
• 关键值: 气隙 Airgap=1mm; 磁钢轴向厚 Magnet Length=3mm (注意 Magnet Thickness=13mm 是磁钢环径向深度, 别改错); 极弧 Magnet Arc [ED]=121° (=67.2% 覆盖率); 定子内/外径 50/76mm。

第 3 步 设置工况 (E-Magnetics 界面 → Input Data)

1. 电流: 本模型电流定义是 RMS 口径 (CurrentDefinition=1) —— 改电流填 "RMS Current" 框 (当前 21A)；填 Peak Current 无效，这是 实测踩过的坑。相位角 Phase Advance = 0。转速 5000 rpm。
2. 温度: Temperatures 页 → Magnet Temperature。模型默认 100°C (热态, 轴向力 343N)；要对标解析报告的冷态就改 20°C (轴向力 417N)。 F ∝ Br², Br 温度系数 −0.12%/K。

第 4 步 打开力计算 (Calculation 页, 已按 2026R1 实际界面核对)

Calculation 页右侧 Performance Tests 栏里, "Electromagnetic Forces" 复选框出现两次, 分别在两个分组里, 两个都要勾:

• Open Circuit 分组 → ✅ Electromagnetic Forces (=ElectromagneticForcesCalc_OC, 空载力)
• On Load 分组 → ✅ Electromagnetic Forces (=ElectromagneticForcesCalc_Load, 负载力)
• On Load 分组的 Torque 保持勾选。

注意没有单独叫 "Open Circuit" 的选项 —— 是 OC/On Load 两个分组各有一个 同名复选框, 容易只勾到一个。不勾就没有对应工况的力结果; 两个都勾则一次 求解空载/负载力全出。

同页顺带核对: 左侧 Drive 栏 Line Current Definition=RMS、RMS Current=21、 Phase Advance=0、Shaft Speed=5000; 中间 Temperatures 栏 Magnet Temperature (100=热态基线 / 20=对标解析报告的冷态); Skew 栏 Rotor slices=2 (即两个径向切片)。

第 5 步 求解

点 Solve E-Magnetic Model。本机实测约 90~110 秒。底部状态栏会依次 显示: Open Circuit Force Calculation → Back EMF → Transient Torque → 2D FFT (力谐波后处理) → Solving Completed。

第 6 步 看结果

想看什么	位置	说明
转矩/电压/损耗汇总	Output Data 页 (顶部标签)	平均转矩约 0.52 Nm @21A
转矩/反电动势/气隙磁密波形	Graphs 页 (顶部标签)	气隙磁密峰值 ~0.85T (20°C)
轴向力 (本项目主角)	Forces 页 (顶部标签, Sensitivity 左边)	图名含 "Axial Force"; 按 Rotor/Stator、OL/OC、切片选择
磁密云图/饱和检查	FEA 页	逐时间步查看
全部图名清单 (脚本用)	Help → Graph Viewer	自动化图名从这里查
全部变量名 (脚本用)	Help → Automation Parameter Names (F2)

Forces 页读图指南 (2026R1 实际界面, 已实测核对):

• 左上 Force Type: Rotor (Axial) = 转子轴向力 (报告主口径); Calculation 下拉切 On Load / Open Circuit; Angle 下拉选圆周位置。
• 子页: Time Harmonics 1D = 单点力密度(N/m²)时间波形+时间谐波; Space Harmonics 1D = 空间分布+空间谐波; Time Domain 2D = 空间×时间 全矩阵 (脚本读的数据源); Frequency Domain 2D = 2D FFT; Polar Plot。
• GUI 不直接显示净合力标量 (343/416N 这类数), 须对节点求和 —— 用 axial_force_final.py。快速核对: Time Harmonics 的 0 阶(DC)幅值 ≈ 平均 轴向力密度, ×定子齿面有效面积 (~全环 2573mm²×0.7) ≈ 净力量级。
• 单点力密度的 2 阶(2倍电频)脉动幅值可与 DC 同量级, 但各节点相位沿圆周 错开、求和后抵消 → 净合力纹波仅 ~1%。轴承看净力 (平稳); 定子盘 局部振动/NVH 看这里的 2 阶分布激励。

看轴向力的关键须知:

1. AFM 的 2.5D 展开模型沿用径向机命名 —— 界面上的 "Radial/法向" 力 (Fr) 就是轴向力, Tangential (Ft) 是切向力。
2. GUI 显示的是每节点集中力 (Lumped, 单位 N): 转子 10 节点 (36° 步距)、 定子 12 节点 (30° 步距), 分两个径向切片 (r=28.25 / 34.75 mm)。
3. GUI 不直接给净合力 —— 净轴向力 = 两切片所有节点求和 (0°/360° 是同 一节点, 只算一次)。手工核对: 转子切片1 每节点均值 ~14.9N ×10 + 切片2 ~20.8N ×10 ≈ 357N (t=0 快照); 精确合力用脚本 python -X utf8 axial_force_final.py (自动求和+校核, 见 REPRODUCE.md)。
4. 定子侧数值为负 (反作用力), 与转子合力大小近似相等 (差 ~1.7%, 离散误差)。

第 7 步 (可选) 气隙敏感性 / 磁负刚度

改 Geometry 页 Airgap (如 0.6 / 1.0 / 1.5mm) 分别重解, 记录净轴向力: 20°C 实测 513 / 417 / 327 N, 中心差分得 kneg ≈ 207 N/mm @1mm —— 气隙越小吸力越大 (正反馈), 轴承/结构轴向刚度须 >10×kneg。

参考结果速查 (本项目已验证)

工况	净轴向力 (转子, 指向定子)
100°C 热态, 1.0mm, 空载	342.9 N (纹波峰峰 3.5N)
100°C 热态, 1.0mm, 负载 21A	343.2 N (电流影响 +0.1%)
20°C 冷态, 1.0mm, 空载	416.5 N
20°C 冷态, 0.6 / 1.5mm	513.1 / 326.7 N