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引言
本文为2020年12月29日西莫电机论坛第38期在线研讨会精华整理版。
主讲老师——张有全博士（Eddie Chong）（现任Motor Design Ltd子公司 - 黙凯软件科技（上海）有限公司的亚洲技术总管。2015年毕业于英国爱丁堡大学，同年加入英国Motor Design Ltd公司曾担任高级工程师和首席热学专家，在电机设计及热管理，流体动力学等领域有丰富的经验，在国际期刊和国际会议发表过许多论文。另外，还可以为用户在电机设计，平台搭建和仿真分析方面提供帮助。）
主要内容——1. Motor-CAD 软件功能
2. 电机模型集成到系统仿真的解决方案
3. 电机多目标多物理场的设计优化
4. Motor-CAD 用户的案例分享
1. Motor Design Ltd
Ø 软件开发人员: Ansys Motor-CAD
‒ Ansys Motor-CAD 开发人员 - 世界领先的电机设计和分析工具。
‒ 由电机设计专家所开发的。
‒ 丰富的电机工程专业知识。
Ø Consultancy 咨询
‒ 设计、分析和培训。
‒ 团队由具有丰富行业和学术经验的电机设计专家组成。
Ø Research 科研
‒ 参与政府/欧盟资助的科研合作项目。
‒ 与世界各地的大学合作开发电机仿真建模技术和创建验证数据。
2 电机设计：挑战
• 在过去，电机设计仅被视为是电磁问题。
• 性能要求不断的提高，这造成电机需要在电磁、电气、高温和机械极限下运行。
• 而且要在较宽的转矩/转速范围内工作。
• 日益激烈的竞争环境，为了提高竞争优势。企业需要缩短研发周期，更快做出满足需求的决策，并实现高度优化的设计。
• 现在各领域的快速发展 – 电机设计方法也必须不断发展改进以跟上市场的需求。
3 电机: 满足快速设计和充分探索的需求
4行业标准电机设计仿真平台
5 eMachine virtual product development toolchain 虚拟产品开发工具链
这个是 EM Motive 的产品开发工作流程，展示了Motor-CAD 结合其他 Ansys 的仿真工具来驱动 eMachine 平台的研发工作。许多世界领先车企 OEM，以及主机厂 Tier 1 采用这种方法。
6 Ansys Motor-CAD: 电机类型与电机模板
涵盖了所有典型的径向磁通旋转电机类型。电机类型:
‒ Brushless permanent magnet (inner & outer rotor)无刷永磁电机 (内转子 & 外转子 )
‒ Induction 感应电机
‒ Synchronous reluctance 同步磁阻电机
‒ Switched reluctance 开关磁阻电机
‒ Synchronous wound field 同步绕线励磁电机
‒ Permanent magnet DC 永磁直流电机
‒ Single phase induction 单相感应电机
包含多种参数化模板和几何结构
7 Ansys Motor-CAD: Emag 电磁
• 计算电机的转矩、输出功率、损耗、电压、电流、电感、磁通和磁力。
• 自动生成绕组的功能和槽截面的编辑器。
• 电机设计可以在几分钟内输入以及计算，所以允许大量的设计计算和对设计空间有充分的探索，确保最佳设计决策。
• 有效地结合二维有限元与解析建模的方法
• 计算电气和电磁性能
• 跟热模型进行双向耦合仿真
• 自动设置选项，计算电机不同的性能测试。
• 二维瞬态有限元求解器
• 网格的划分，边界条件都是自动设置；
• 提供高级的计算方法，如磁钢涡流损耗、感应电机转子条损耗和交流电绕组损耗。
• 导入DXF几何文件，可以通过脚本绘制几何图形。
• 自定义电流波形，定子斜槽，转子斜极的仿真。
• 使工程师能够在设计早期过程中考虑复杂的电磁效应。
8 Ansys Motor-CAD: Therm 热路法
• 电机行业标准仿真工具，具有超过20年在电机冷却分析的经验。
• 不但可以计算电机部件在稳态的温度，而且还可以计算瞬态运行条件下的温度。
• 能够在几秒钟内对电机的冷却效果进行精确模拟。
• 有助于用户更好地了解主要的传热路径，并有效地提高电机的冷却效果。
允许大量的热设计计算和充分探索设计空间，同时能与电磁进行耦合分析；确保优化设计决策。
Ansys Motor-CAD: 冷却方式
• TENV: Totally enclosed non-ventilated 封闭式电机
‒ 自然冷却通过外壳散热片
• TEFC: Totally enclosed fan cooled 封闭式风冷电机
‒ 强迫式通过外壳散热片
• Through Ventilation 强迫通风
• TE with Internal Circulating Air 封闭式内循环空气
‒ 内循环空气路径
‒ 外壳冷却管道为换热器
• Open end-shield cooling 开放式屏蔽冷却
• Water Jackets 外壳冷却管道
‒ 轴向或周向/螺旋水套
• Submersible cooling 浸泡冷却
• Wet Rotor & Wet Stator cooling 湿转子和湿定子冷却
• Spray Cooling 喷油冷却
‒ e.g. 绕组末端油冷
• Direct conductor cooling 直接导体冷却
‒ e.g. 槽内冷却油管
• 自动生成相关的等效热网和流体网。
• 三维的热网络，包括径向和轴向的传热。
• 提供了详细的槽截面图，不但提供直观的效果，而且方便槽满率的计算，以及精确计算绕组的热传导。
• 热路法，所有的传热路径（包括传导，对流，辐射）通过热阻计算，软件背后运用了大量传热的关联 heat transfer correlations - CFD、FEA和实验。
9 Ansys Motor-CAD: 制造工艺
• 电机的热模拟非常具有挑战性，因为电机的温度很多时候受到制造工艺因素的影响。
• 制造工艺的不确定性会影响电机温升，如:
‒ 定子与机壳有效接触面是否良好；
‒ 绕组浸渍或绕组灌封是如何加工的，是否产生了气泡造成不良的热传导，还是使用了真空浸渍；
• 软件内置了丰富的实际经验，帮助用户设置它们合理的数值。
10 Ansys Motor-CAD: LAB 虚拟试验室
• 效率云图和损耗云图；
• 峰值转矩/转速曲线；
• 持续转矩/转速曲线；
• 驾驶工况性能分析；
• 开路和短路测试；
• 为了模拟逆变器的电机性能，自动应用最大转矩/安培控制策略 (Maximum Torque / Amp Control Strategy)
• 提供逆变器供电电机在工作条件范围内所需要的电机性能计算。
11 Ansys Motor-CAD: 效率云图 & 运行周期模拟
• 为了生成效率图和运行周期数据，必须计算数千个工作点。
• Motor-CAD 有效地结合使用了FEA 和解析法来建立有关电机设计的电感和损耗云图。
• 耦合 Thermal 的求解器来计算结合了电磁和热的解决方案。
• 所有的计算，效率云图，工况分析等都可以在几分钟内完成计算，因此适合电机设计反复计算过程中使用。
12 Ansys Motor-CAD: 峰值和连续运行计算
• 一般电机会有两个惯用的指标：峰值和持续运行特性。
• 峰值转矩曲线通常受逆变器电流的限制和直流母线电压的约束。
• 持续的工作曲线通常受绕组和/或转子温度的约束。
• 通过 Motor-CAD LAB 模型可以轻松为任何电机设计计算这些特性曲线。
13 Ansys Motor-CAD: 驾驶工况性能分析
• 计算任意驾驶工况的损耗、效率和能源消耗。
• 通过结合热模型，计算电机温度随时间变化的曲线。
• 考虑了温度对损耗和磁通的影响。
• 这使工程师能够以最小的尺寸/最少的成本设计电机，并且实现最优的电机工况使用效率。
14 Ansys Motor-CAD: Mech 转子机械应力分析
• 基于 FE 有限元的解决方案
• 计算时间非常快 – 几秒钟内完成计算
• 不但可以使用模板，而且有导入DXF选项
• 使工程师能够在设计优化中权衡电磁和机械的性能。
15 Ansys Motor-CAD: 在电机研发周期中的使用
• Motor-CAD 主要用户是电机设计人员
• 特别适用于电机在整个运行范围内的初始设计、电机拓扑选择、尺寸确定、分析和优化。
• 通过接口与三维 FEA 有限元和 CFD 仿真工具一起使用，以便在设计后期进行更详细的分析。
• Motor-CAD 软件易于使用，很快的适应。电机设计人员可以同时掌握多物理场所需的专业知识。
• Motor-CAD 对系统分析很有帮助；生成多物理场电机的降阶模型。
• 在电机测试过程中提供有效的帮助：
‒ 有助于为测试提供输入数据；
‒ 帮助了解“不确定”输入数据中的影响；
‒ 仿真数据和测试数据之间建立一致性
‒ 帮助鉴定电机任何制造工艺问题，并为下一次设计提供改进的方案。
16 系统集成的需求
• 由于对高效率，高功率密度，低成本电气化动力总成的需求不断地增长：
‒ 导致更紧密地系统集成；
‒ 考虑系统与系统之间的相互作用；
• 在整个开发过程中评估系统性能：
‒ 满足组件性能要求与系统性能要求；
‒ 成本；
‒ 系统级优化：
个别优化的电机，变频器以及变速箱 ≠ 优化系统
17 System Simulation Solutions 系统仿真解决方案
• 电驱动高度集成，需要把电机模型集成到系统仿真环境中
• 多物理场的模型：
‒ Thermal 热学
‒ Electromagnetic 电磁
‒ Losses 损耗
‒ Control 控制
• 不同等级的模型精度 (model fidelity)
‒ Reduced order model 降阶模型 – 快速求解
‒ 根据外部输入，考虑模型变量非线性的关系
Coupled physics models 与物理模型耦合