行业应用方案 | 基于Motor-CAD的电机快速多学科设计与优化

Ansys 行业应用方案连载（10） | 基于Motor-CAD的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 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。

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

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

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

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。