Motor-CAD应用:电机快速多学科设计与优化

随着产业不断发展,各行业对电机性能指标提出越来越高的要求,例如效率高、转速范围宽、体积小、重量轻、功率密度大、噪声低、成本低等。这要求电机设计必须兼顾电磁性能、温升性能以及机械设计等方面的多物理场性能,同时还要考虑电机的成本、研发周期等因素,如何在最短的时间内将一款高性能、低成本的电机产品推向市场是目前各大电机厂商面对的难题。

现代电机设计是一个典型的多学科、强耦合、多变量、非线性的问题,在其中多学科分析和优化设计扮演了非常重要的角色。电机设计工作的特点要求设计工具需要具有以下几方面特征:

  1. 兼顾磁路法的理论深度和有限元法的高精度,提供专业的前、后处理功能
  2. 电磁和热的耦合分析必须快速高效以满足产品研发周期的需求
  3. 电机机械强度的分析需要在电磁设计阶段同时进行,以减少设计迭代

将同时具有以上特征的设计工具与优化工具相结合,工程师便可以兼顾电磁、热、机械性能,在电机设计初期获得较好的设计方案,为后面的精确分析与优化奠定基础。




Ansys解决方案


Ansys Motor-CAD 集成了电磁场有限元法、磁路法、热路法、结构有限元法,20 年积累的丰富电磁热计算经验数据,有效提升了不同种类、不同冷却型式电机电磁与热计算的效率。借助Motor-CAD与optiSLang,电机工程师可以在概念设计阶段快速评估设计参数对电磁、热、机械强度的综合影响,在最短时间内给出电机最佳初始设计方案,另外借助Motor-CAD与Maxwell、Twin Builder之间的软件接口,工程师可进一步对初始设计方案进行电磁场高精度分析、系统级场路协同仿真分析。



01、基于模板的电机快速设计

Motor-CAD可应用于各种类型的永磁、磁阻、感应电机的快速电磁、热综合设计,包括:

  • 永磁同步电机
  • 无刷直流电机
  • 单/三相感应电机
  • 同步磁阻电机
  • 开关磁阻电机
  • 电励磁同步发电机
  • 永磁直流电机
  • 爪极电机
  • 直流有刷电机




02、电机全运行范围性能快速计算

Motor-CAD Lab 使工程师可以快速地创建效率map图,绘制扭矩/速度特性,研究连续和峰值热约束运行包络,并分析驱动周期循环性能。


  • 效率和损耗map图
  • 峰值转矩/转速曲线
  • 连续转矩/转速曲线
  • 开路和短路试验
  • DQ 电感曲线计算
  • 多工况铜损、铁损、永磁体涡流损耗计算



03、电机多学科多目标优化设计

利用Motor-CAD与optiSLang之间的接口可以方便的实现电机多学科、多工况、多目标优化设计。


  • 电机效率与成本优化
  • 电机连续转矩密度/功率密度优化
  • 电机散热结构优化
  • 电机转子减重与结构强度优化
  • 电机转矩脉动与齿槽转矩优化
  • 电机峰值扭矩/峰值功率优化



基于Motor-CAD的电机快速多学科设计与优化


Ansys Motor-CAD是目前全球范围内唯一包含电磁、热、机械的专业电机多学科设计工具,它同时兼顾了计算速度与精度,可在最短时间内完成电机初始方案设计,结合强大的Ansys optiSLang优化工具,使得电机工程师在设计初期对电磁、热、机械性能进行快速综合优化的梦想成为可能。

  • Motor-CAD结合了磁路法与电磁场有限元法,兼顾了理论深度与计算精度,丰富的结果后处理帮助用户深入、全面的分析和理解电机各种电磁性能参数
  • Motor-CAD集成的热分析模块实现了电机电磁-热双向快速耦合分析,其内置20 年积累的丰富电磁热计算经验数据为计算精度提供了有力保证
  • Motor-CAD与optiSLang之间可以借助于集成的向导插件或Python脚本进行耦合,实现电机多学科、多工况、多目标快速综合优化

Motor-CAD内置的分析模块提供快速和足够高精度的算法,帮助用户减少电机概念设计,初始设计和详细设计之间多余的往复迭代,加快电机产品研发周期;其内置的各种类型的全参数化电机设计模板、电机设计专家经验数据、丰富专业的前、后处理功能,即使是拥有电机基本专业知识的普通工程师也可快速、高效、合理地设计高性能电机。



典型应用案例

行业应用方案 | 基于Motor-CAD的电机快速多学科设计与优化的图1


永磁电机电磁设计

行业应用方案 | 基于Motor-CAD的电机快速多学科设计与优化的图2


电机瞬态热分析

行业应用方案 | 基于Motor-CAD的电机快速多学科设计与优化的图3


电机稳态热分析

行业应用方案 | 基于Motor-CAD的电机快速多学科设计与优化的图4


电机效率map图与路况分析

行业应用方案 | 基于Motor-CAD的电机快速多学科设计与优化的图5


永磁电机饱和模型提取

行业应用方案 | 基于Motor-CAD的电机快速多学科设计与优化的图6


电机最大\连续运行外特性计算

行业应用方案 | 基于Motor-CAD的电机快速多学科设计与优化的图7


永磁电机循环工况热分析

行业应用方案 | 基于Motor-CAD的电机快速多学科设计与优化的图8


IPM电机多目标优化

行业应用方案 | 基于Motor-CAD的电机快速多学科设计与优化的图9


IPM电机转子强度校核

行业应用方案 | 基于Motor-CAD的电机快速多学科设计与优化的图10


永磁电机时空二维电磁力分析


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