技术研究 | 工业软件行业研究--电机仿真简介

工业软件有广义和狭义之分，目前业内对工业软件行业尚未形成统一的定义，缺乏标准化的描述，根据在工业制造的价值链环节应用场景划分，广义上大致可以分为以下四类：

第一类，研发域，包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程（CAE）、电子设计自动化(EDA)、计算机辅助工艺规划(CAPP)、产品数据管理(PDM)、产品生命周期管理(PLM)、实验室信息管理系统(LIMS)等。

第二类，生产制造，制造运营管理平台(MOM)，包括制造过程中用到的所有工业软件，如可编程序逻辑控制器(PLC)、分布式数控(DNC)、集散式控制系统(DCS)、质量管理系统(QMS)、仓储管理软件(WMS)、测试管理平台(TMS)、统计过程管理软件(SPC)、高级计划与排程(APS)、缺陷管理分析系统(DAS)、制造执行系统(MES)等。

第三类，运维服务类，包括应用性能管理(APM)、维护维修运行管理(MRO)、故障预测与健康管理(PHM)、设备自动化系统(EAP)、巡视巡检类软件以及数字孪生整体解决方案等。

第四类，经营管理类，包括企业资源计划(ERP)、项目管理(PM)、供应链管理(SCM)、客户关系管理(CRM)、人力资源管理(HRM)、企业资产管理(EAM)、知识管理(KM)等.

本文中聚焦在研发设计类型的电磁、热、结构、流体、声学等等三维/二维物理仿真软件（CAE），讨论它们在工业产品研发中的角色（以电机为例）。

许多工业产品的设计制造本质都是工程学问题，而工程学，或者说实践的进展在很多时候是领先于科学理论的，在没有对整个过程机理有100%深入了解的时候，工程师仍然能够设计制造出基本满足性能要求的产品。以电机设计制造为例，其历史最早可追溯至19世纪，而计算机辅助工程（各类以有限元为代表的仿真算法），则是从1950年代才陆续问世，而且最初主要用于军工与航空航天领域。仿真软件广泛应用于其他各种民用产品设计中，在国内则是21世纪才逐渐发生的事情。一开始除了极少数高精尖工业领域（如战争时期的国防军工、航空航天等），其他通用领域是不具备使用仿真软件和独立研究其底层基础科学问题的能力的。但随着技术的迁移与下沉，原本为航空、核电等高精尖领域发展的理论和工业软件，在成熟应用以后经过一定的普及，逐渐应用在类似电机这样的许多通用工程领域。

在没有仿真软件的时代，建筑师也能盖起埃菲尔铁塔，早期的飞机也能飞上天空，但他们依靠的是各种经验公式，将复杂的方程经过各种特殊近似、简化，通过手动的方式求解，然后再乘以一个安全系数，通过不断的试验确保产品满足设计要求。以电机设计中一篇2022年发表的论文为例，就存在许多类似的解析式和经验公式，作者使用解析法推导了空心杯电机的漏磁系数，其中一个关键公式如下：

在公式第一行的最右侧存在一个“经验校正系数”k。论文作者最终通过基于仿真的方法进行验证对比，计算得知k = 1.045，然后更换了一组电机几何参数，验证这个解析表达式的准确性：

解析公式和经验公式不仅不够准确，而且有些时候并不能很好地兼顾各种实际条件。于是就像前面举的例子那样，工程师们只能使用比较保守的安全系数，将各种更复杂的、暂时无法理解的物理现象都藏进1.5倍、2倍甚至更多倍的安全系数里。而工程是权衡的艺术，使用了更大的安全系数，产品的设计就会显得笨重：想要结构的强度更高，重量就会增加；想要结构更轻，那必然就要损失一些性能。为了在不完全清楚机理的情况下保证设计产品的安全可靠，就只能靠“力大砖飞”的苏式美学，将各类存在大量设计冗余且性能较低的组件通过工程学方法整合为一套可用产品。

而有了更加精确的理论指导以及基于计算机的更先进的仿真工具，工程师就可以探索工程设计的极限：芯片的集成度可以更高，电子设备的散热可以更好，飞机可以隐身，疲劳寿命可以更长，建筑可以更美观，汽车的风阻可以更低、更节能，等等。

因此，没有仿真，包括电机在内的许多产品仍然可以设计/研发/生产，但是借助包括仿真在内的各种先进技术工具，工程师能不断地追求极限，让产品的性能精益求精。

在电机的运行过程中，首要关注的是电能到机械能的转化，因此需要电磁仿真；电流流过线圈，能量转化过程中会发热产生损耗，因此需要进行热仿真；电机的外壳需要保证运行时不发生破坏，需要结构强度仿真；如果热量过大，需要主动散热，就要用到流体散热仿真；电机运转时产生的噪音，可以通过NVH振动噪声仿真来求得。

（1）以某永磁同步电机的多物理场设计优化流程为例。初步设定设计参数后，以电磁仿真分析为主，确定电机性能；然后经过热仿真和转子应力仿真校核，确定电机设计方案。

其中，电磁仿真可以比较不同绕组方案的性能，最终得到额定工况下电机的输出转矩、各部件的损耗等信息：

以上案例中，基于电磁仿真结果来说，绕组方案3的效果最佳，而温度场仿真和转子应力仿真都得到了“校核达标”的结论 ，无需再进行额外优化，仿真为一款电机的设计提供了完美的闭环。

（2）在另一个Altair与保时捷合作，基于仿真驱动的流程开发电动汽车的电机的更具体的案例里，在设计过程中，Altair使用仿真工具综合考虑了包括电机的电磁性能、散热、强度及耐久、重量、能源经济性、噪声、系统与控制策略等多个方面。

整体流程如下图所示：基于不同拓扑/不同尺寸和形状参数的输入创建电机几何模型，分别进行结构、电磁、热等分析（也包括多个求解器的协同分析，如声学物理场），收集响应反馈到HyperStudy进行优化。

整个设计优化过程分为三个步骤：1) 基准概念设计；2) 多物理场优化设计；3) 系统设计。

简单来说：

在第一阶段，比较了几种不同的电机转子拓扑构型；

选定一种方案后，在第二阶段使用多目标优化工具，在温度和应力等约束条件下，寻找使电机实现最大的功率和最小的扭矩波动的参数值；

在第三阶段，引入系统仿真来考虑增加功率逆变器等器件后，电机系统的整体最优响应。

到此为止，虽然我们并没有深入探究其中每一项分析的技术细节，但相信即使是此前从未听说过仿真的读者，也已经对仿真驱动电机研发的过程有了初步的认知。

目前国际知名的仿真软件巨头公司主要有以下几家：ANSYS、Altair、达索系统、MSC/Hexagon、Comsol等。这些公司旗下基本上都有针对各种物理场开发的通用仿真软件，国内仿真软件公司尚处于初期的跟随状态。

例如，针对低频电磁场分析，ANSYS旗下有Maxwell，Altair有Feko等。对于热仿真和结构仿真，ANSYS Workbench和Altair HyperWorks-OptiStruct等界面/求解器都可以完成。这些通用仿真软件通常包含几何建模及导入功能，通用的前处理器可以施加各种类型的边界条件，通用的后处理工具可以查看任意物理量的空间分布云图。但一方面这些软件的学习门槛比较高，另一方面，它们也缺乏一些针对特定行业的定制化功能。因此，对于应用仿真比较多、需求比较明确的一些行业，仿真软件公司们还会为其研发定制化的专用仿真软件。这些软件专为电机设计过程而开发，可以一键分析生成各种云图、表格、曲线等，研究不同拓扑、绕组、几何参数之间的性能差异，在自家软件生态内进行系统仿真，乃至一键生成分析报告等功能。

具体到电机领域，ANSYS公司就开发了专用的电机设计工具 Motor-CAD。

又如，Altair公司专门为电机设计过程的定制开发的FluxMotor。

对于像ANSYS、Altair这种拥有多个成熟的电磁、结构、流体、声学求解器的仿真软件公司来说，专门为像电机这样的领域定制开发一款专用软件，并不是一件特别困难的事情，因为底层的物理场求解器都可以直接调用，只需要针对具体领域需求设计前端用户界面即可。（类似的事情还包括各种制造工艺仿真、电子散热仿真等）

值得注意的是，这些电机设计软件，虽然没有特别注明，但大多数主要是为新能源汽车的电机设计服务的。因为新能源汽车企业对电机的性能要求比较高，一般也更有意愿和能力投入高额的研发成本，与仿真软件公司合作探索更先进的仿真驱动研发体系。

对于当前中国的许多中小企业来说，他们在逐渐向自主创新过渡转型的过程中已经具备了一定的研发能力，但他们依然缺失类似保时捷这种顶级公司的财力和人力去建立完善的仿真驱动研发流程，也无法大量雇佣高水平的研发专业人才。对于这类公司来说，要不要引入仿真，如何引入仿真，就成为了一个现实问题。

关于要不要引入仿真的问题，如前所述，可能在仿制的过程中，不使用仿真工具也能把产品造出来。但是随着用户对产品性能的要求越来越高，靠经验和传统近似理论的设计思路会逐渐难以为继。这时就需要考虑引入仿真来进行更精确的产品性能分析。

在将仿真加入研发流程的过程中，要一步一个脚印，切忌好高骛远。企业应该认真评估哪些物理场是具体自己的产品最关注的核心问题。以电机为例，电磁场就是最核心的物理场。从核心问题入手，从简单问题入手，先把最基础的问题算出来、算准，形成流程，再逐步深入。从算准趋势开始，逐步提高仿真的能级。

在引入仿真的初期，企业可首先需要明确仿真的能力和边界。在这一阶段，切勿对仿真有过高的期待，不能被行业龙头企业和软件公司的宣传误导。

标杆企业可以做到多物理场协同仿真，和实验结果对标得非常漂亮，但一张张图片背后，可能是多年累积的人力、物力、财力的投入（这也就是为什么对标国外最先进研发水平，国内工业软件研发以及应用追赶起来步履维艰）。仿真虽然被称为虚拟实验，但并不是零成本的，甚至很多时候为了算得准，初期进行一次仿真的综合成本可能比做一次实验更贵。当然，仿真和实验的性质不同，当仿真的流程确定、收敛性调试通过后，要修改一些几何参数和材料参数，相对来说就比实验来得更容易、成本更低，并且仿真能够沉淀更多历史数据。

声明：非经注明，文中图片来源于网络

参考资料：

[1] Porsche: E-motor Design using Multiphysics Optimization

[2] 袁永杰等《环形磁钢空心杯电机空载漏磁系数的计算》

[3] 郭昊天等《高功率密度永磁同步电机多物理场设计与优化》

[4] Altair FluxMotor 电机拓扑探索和多物理场优化

[5] 网络公开资料整理