电机电磁场CAE有限元分析的实践与探讨

一、计算机辅助工程（CAE）


计算机辅助工程是随着CAD/CAM技术的发展而出现的一种新技术，它的含义和功能范围还没有统一的提法，有些专家将CAE看成是包含工程分析在内的广义的CAD/CAM，同时由于CAE在机械工程中的应用最广泛（如铁路货车产品结构有限元分析系统），因而把广义的CAE称做MCAE。但是，很多数学者目前还是把CAE看成是以计算力学为基础，以计算机仿真（模拟）为手段的工程分析技术，并相应地把它归入广义的CAD功能中，作为实现产品优化设计的主要支持模块。按照后一看法，CAE技术包括有限元FEM和边界元BEM分析、运动机构分析、气动或流场分析、电路设计和磁场分析等。其中有限元分析在机械CAD中应用最广泛。这种方法，首先在几何上把分析对象划分成有限个单元，由互相交叉的网格节点形成有限个元素，然后通过计算每个单元或节点的特性，分析整体的特性。有限元分析法是近20年来发展起来的技术，随着应用规模和范围的不断扩大，其理论和技术日益完善，它最突出的优点是通用性强，可用于工程结构力学、热传导、液压、气动力学等的分析中，适用于包括电子、航空、航天在内的各种机械工程领域。同时，对于各类工程分析问题，有相当一部分相似的处理过程，因而非常适用于标准化。

二、电机CAE的发展


20世纪70年代以来，随着科学技术的迅猛发展与社会需求日趋多样化，市场变化频繁，竞争激烈。表现在电机产品方面，产品更新换代的周期越来越短，产品的性能、质量、价格以及交货期的竞争越来越激烈。对大数电机厂来说，一个明显的特点是多品种、小批量生产占主导地位。在进行多品种、小批量生产时，由于产品的品种和工艺过程的多样性，环境条件（如用户订货、外购、外协、交货期等）的不确定性，以及生产计划与生产调度的动态性等因素，致使物料过程复杂多变，信息流的数据和信息庞杂，信息的处理、贮存与传输频繁。因此，按常规的单件生产或按刚性自动化的方式都无法适应，必须解决物流既具高效自动化，又具生产“柔性”即柔性自动化的问题；同时，也必须相应地解决信息流（包括产品设计、工艺设计以及生产管理）的自动化问题。所谓柔性（flexibility）是指，当生产对象改变时，具有灵活的适应性。


在电机工程中的应用主要有以下几个方面：


1、计算机辅助电机设计：这是利用计算机帮助人们设计出最佳的电机；

2、计算机辅助电机工程图的绘制；

3、计算机辅助电机电磁场、温度场和应力场的计算。


过去，电机中场的求解只限于应用解析法和图解法。这些方法的应用，一般限制在边界条件简单而媒质为线性的场合。计算机和计算技术的发展为电机中复杂的场问题数值解提供了条件，从而可以将现代数值解中的差分法、有限元法和边界元法等方法，在利用计算机技术的基础上去求解电机中的各种线性和非线性的稳定场或瞬变场的问题，并获得较满意的结果。


计算机具有大容量和可靠记忆能力、快速的数据处理能力和检索能力，这些能力正好与人的特长互补；另一方面，人只要以程序化的方式赋予计算机一定的智能，计算机即可替代人的思维进行逻辑判断与推理，起着“专家”的作用；此外，计算机是可编程的，具有极大的柔性。因此，计算机是解决电机产品多品种、小批量生产柔性自动化的最佳途径。

三、电机电磁场有限元分析


电机电磁场是工程领域中所遇电磁场的一种，电磁场问题的理论基础是Maxwell方程组，各种电磁场问题均可等价于数学领域中偏微分方程的初、边值问题。


电机电磁场所包含的类型很多，如按场源是否随时间变化可分为稳态场与时变场；按求解区域的媒介线性与否可分为线性、非线性问题；按电磁场位函数的维数可分为一维、二维、三维问题。就从电机电磁场分布区域来看，也有气隙磁场、端部磁场、铁心磁场、电枢导线涡流场等；从理论上讲，用数值方法可以解决上述问题，但实际工程应用中，即使是基本的二维稳态电机电磁场问题，电机设计者也较少从场的观点出发，采用有限元或其它数值法进行求解，究其原因，除客观条件限制外，主观上仍有两方面：其一是要用有限元或其它数值法求解电机电磁场问题，则设计者本身至少要精通该数值方法的理论及过程、相应的计算机程序语言及数据结构、输入数据文件的建立，有时还要进行必要的程序修改、编译等；其二，设计者在数值计算前，由于数据前处理过程单调、数据量浩繁，其工作量约占整个有限元分析工作量的80%，因此，电机电磁场数值计算的工程应用研究已经提到较重要的位置，即如何从电机设计者角度出发，将较成熟的求解电机电磁场的数值算法如有限元法在过程上通用化，操作上简捷化，数据管理上自动化，让电机设计者真正将有限元法作为一种求解电机电磁场的通用工具，正如会使用计算器的人，并非必须了解其工作原理、机器语言、数码显示等。


由于有限元理论已比较完备，相应的计算方法及软件已在工程领域中作为分析计算的工具，因此，电机设计人员更关心如何应用有限元法来分析计算电机电磁场，即有限元前（后）处理。


1、有限元前处理：是指在有限元分析程序运行以前，针对某一具体问题所必须的所有数据的准备工作。就电机电磁场而言，它主要包括求解区域的确定、几何模型描述、区域网格剖分、节点、单元编号及优化、各种信息数据生成等。


2、有限元后处理：进行电机电磁场有限元分析的目的，是让电机设计者对电机磁场有清晰直观的认识，而有限元法作为一种数值算法，其分析计算的结果因数据浩繁，不便分析评价。将这些数据转换成工程领域所熟悉的各种图、曲线、表格等对工程分析及设计评价是很必要的，这就要用到有限元后处理。


目前有限元分析系统（前处理、有限元求解、后处理）发展的总趋势是与CAD系统集成化，以形成设计、计算、优化、分析、绘图的集成化软件系统，国际上较著名的有限元软件系统有ANSYS等。

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