电机本体设计仿真解决方案

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摘要

Ansys Motor-CAD是专为电机电磁、热、结构设计的工具，能避免原型机或制造阶段的错误，降低设计成本，提高产品质量。它包含热计算、电磁计算、虚拟实验室和机械模块，可进行电磁场有限元分析、电机结构分析、散热分析等多物理场耦合分析。该工具结合optiSLang可实现电机多目标优化设计，兼顾电磁、热、机械性能。实例显示，使用Motor-CAD的瞬态磁场求解器在多核计算下，可显著提高仿真速度，利用现代计算机硬件资源实现高效运算。

正文

Ansys Motor-CAD专用于电机电磁、热、结构、复杂周期工况下的设计工具。

MotorCAD软件可以帮助电机设计工程师避免在原型机或制造阶段代价昂贵的错误，而将设计风险转移到计算机的数值模拟阶段，从而使企业减少设计时间，降低设计成本，提高产品质量，缩短产品上市时间，最终增加企业利润。

MotorCAD包括MotorCAD-Therm热计算模块、MotorCAD-EMag电磁计算模块和MotorCAD-Lab虚拟实验室模块和Motor-CAD-Mech机械模块。

1. 电机概念设计

2. 电磁场有限元分析

2.1 一键有限元

2.2 自动自适应网格剖分

2.3 磁滞材料建模

2.4 电磁优化设计

2.5 损耗精确计算

2.6 高性能计算

3. 电机结构分析

3.1 电机定子结构及模态计算

3.2 电机临界转速计算

3.3 电机转子动力学分析

3.4 电机转子疲劳寿命分析

4. 电机散热分析

4.1 直流无刷永磁电机散热分析

4.2 某小型电机瞬态温升分析

4.3 电钻电机通风散热分析

5. 电机振动噪声分析

6. 电机振动噪音设计

6.1 基于联合仿真的声音分析及优化

6.2 结合测试与仿真的系统集成与声音设计

6.3 面向最终用户感受的声品质研究

7. 多物理场耦合分析

7.1 电磁、结构耦合分析

7.2 电磁、热耦合分析

8. 基于optiSLang的电机多目标优化设计

8.1 问题描述

8.2 输入模型参数化

8.3 Workbench中建立分析用Maxwell模型

8.4 定义输入输出变量

8.5 添加OptiSLang设置

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，在这其中多学科分析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：

● 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；

● 在电机全运行工况范围内，需要实现电磁和热的双向耦合，而且算法必须快速高效以满足产品研发周期的需求；

● 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概念设计方案，为后面的精确分析与优化奠定基础。

......

实例1：中等规模混合励磁电机模型仿真，网格数量463.6k，仿真硬件平台为双CPU计算机，共16核32线程，102 G共享内存。

中等规模混合励磁电机模型和TAU网格规模

瞬态磁场求解器下，采用Maxwell HPC同时调用32核计算（超线程打开），仿真完成后的总求解时间（Total time）比单CPU单核计算速度提高了15.2倍。在Maxwell整体计算过程中，矩阵求解时间占整个计算过程时间比例最大，单独监控非线性矩阵计算过程，则瞬态速度可以达到近30倍的加速，与参与求解的计算机核数相比，基本达到线性加速效果，加速效果非常明显。说明Maxwell HPC 的可扩展性非常好，利用更多的CPU核能够达到更好的提速效果。