电机CAE仿真解决方案

目前国内对于电机设计的虚拟装配已经基本实现，但虚拟设计以及虚拟实验的应用仍不充分。电机的虚拟设计与虚拟实验主要包括电磁、结构、散热三个方面。对于常规的电机设计方法，计算工作量非常大，只能得到各物理场的平均结果而难以获得其分布，且很难考虑各物理场耦合的问题。

本文与大家分享某电机厂对于新开发的某款电机进行的CAE多物理场分析方法，其中涉及电磁分析、结构分析（强度、振动、噪声等）和散热分析(流体、热)。通过分析，可以为电机厂商提供电机电磁、结构、噪声、流场和温度等一系列参数的分布情况，使开发人员能够有针对性的进行改善，从而大大缩短研发周期，降低研发成本。

本项目分析流程如图1所示：

图1  电机CAE多物理场分析流程

一、 电磁分析

以电机的实际结构建立磁场有限元模型，基于电磁——热双向耦合建立轴向通风各部件的电磁场数学模型和热传导方程，通过电磁——热双向迭代计算得到磁密分布、电磁力等结果。某电机的气隙磁场磁力线分布如图2所示。

图2 某电机的气隙磁场磁力线分布

二、 结构分析

1. 应力及应变分析

通过电磁——结构以及热——结构的耦合，对电机进行了整机结构分析（包括整机强度分析、定子与机座配合计算、吊环强度分析等）、整机模态分析和滑环强度分析。通过分析可以获得电机的应力及应变分布，从而验证电机强度是否满足设计要求。

图3  某电机三阶模态振型

2. 振动分析

通过电磁分析得到定子齿部节点的径向及切向电磁力，映射处理至电机结构的网格模型中，进行振动分析。通过分析可以获得电机的振动分布，并确认是否满足设计要求。

图4  某电机振动位移云图

3. 噪声分析

电机产生的三类噪声及主要声源如下图所示，本项目对电磁噪声和气动噪声进行了仿真，验证了电机噪声是否满足设计要求。

（1） 电磁噪声

通过电磁分析得到定子齿部的电磁力，映射处理至电机结构的网格模型中，通过FFT进行时频转换后，进行扫频分析得到结构的频率响应，以此结果进行噪声分析。

图5 振动-噪声分析流程

（2） 气动噪声

除电磁噪声外，还分析了气动噪声。通过流体分析得到电机内部流场，并通过瞬态分析得到电机内部流动随时间的变化，最终通过FW-H分析方法预测气动噪声。

三、 散热分析

电机的散热设计影响到电机温升，温度的变化会影响铁心和绕组的性能参数，进而影响电机的损耗和输出功率。再反过来又影响电机的温升。分析中考虑电磁—热双向耦合，最终得到电机额定工况下的流场和温度场，包括电机内部热空气循环流量、铁芯气隙流量分配及温度分布、定转子等的温度分布等。通过分析，提出了合理改善电机通风的方法。

图6 散热分析流程

四、 结论

本文针对电机设计所涉及到的电机结构强度、模态、噪声、散热冷却等问题提供了CAE多物理场仿真分析解决方案。同时为后续建立电机产品数字化设计平台提供了有效的工具和方法。