ANSYS 电机设计专栏
n5321 | 2025年7月2日 22:56
电机设计是一个复杂的多物理场问题，它涉及到电磁、结构、流体、温度和控制等多个领域。随着新材料、新工艺以及各种电机新技术的发展，电机设计的要求越来越苛刻，精度要求也越来越高，传统的设计方法和手段已经不能满足现代电机设计的要求，必须借助于现代仿真技术才能解决各种设计难题。
针对电机永磁化、高速化、无刷化、数字化、集成化、智能化、高效节能化的发展趋势和相关技术挑战，ANSYS能提供集成化设计解决方案和流程，高效实现电机从磁路法到有限元、从部件到系统、从电磁到多物理场耦合的多领域、多层次、集成化电机及驱动/控制系统设计。
ANSYS集成化电机设计流程主要包括：
1.电机快速设计和方案优选：采用电机磁路法设计工具RMxprt，快速实现电机的初始方案评估和优化设计，缩小电机的设计空间，并一键输出电机二维或三维有限元模型以及电机的系统仿真模型备用；
2.电机电磁场有限元精确优化设计：采用Maxwell二维或三维电磁场有限元仿真，并结合内置外电路或Simplorer控制电路，对电机有限元模型进行仿真设计和细节优化，并输出等效电路模型备用；
3.电驱动系统集成化设计：采用Simplorer进行电机及控制系统仿真，结合SCADE嵌入式控制代码自动生成技术；结合Maxwell场路耦合、瞬态协同仿真技术；结合Q3D线缆、母排、IGBT寄生参数提取技术；对整个电驱动系统进行高精度仿真和性能优化；
4.电机电磁、热耦合分析：采用Maxwell输出电机的几何模型和分布式损耗到Mechanical或FLUENT等工具中，进行电机温度场仿真，实现电磁、热单/双向耦合分析，预测电机在各种工况下的温升并优化散热系统设计；
5.电机电磁、振动、噪声耦合分析：采用Maxwell输出电机的几何模型到Mechanical，利用Workbench和ANSYS电机电磁、振动、噪声自动化耦合仿真流程，便捷地分析电机在各种工况下的结构应力、形变以及振动噪音。
电机本体设计
根据电机本体永磁化、无刷化、高速化、高效节能化的发展趋势、研发需求和技术挑战，ANSYS电机设计专栏全面考虑了电机本体设计的各方面，包括：基于磁路法的电机快速设计、初始方案评估和优化设计；基于瞬态电磁场有限元分析的电机精确分析和参数化/优化设计；基于有限元的热、应力、形变分析；基于有限容积法的流体热分析和散热系统优化；基于电磁、热、结构单/双向耦合的多物理场耦合设计；基于电磁、振动、噪声自动化设计流程的耦合设计等。通过快速优化传统的电机设计方案，实现高效节能化；通过高效探索和积累无刷及永磁电机设计经验，实现无刷化、永磁化；通过优化设计电机在高速时的电磁和多物理场耦合特性，实现高速化。
电机电磁、结构、热等多物理场耦合设计
电磁设计
以Maxwell 、RMxprt为核心的电磁设计产品能够快速建立电机模型，计算电机设计中所关心的磁场和磁密分布、矩角特性、电感等参数，并获得电机的电磁发热、电磁力和电磁力矩分布。
一键有限元：RMxprt可一键生成参数化的二维和三维有限元模型，包括自动建立几何模型、自动添加材料属性、自动剖分设置、自动设置边界条件、自动生成外电路、自动求解设置等，用户可一键求解，避免了繁琐的有限元操作过程，可直接面对电机的设计和优化问题，大大简化了设计流程。
磁滞材料建模：Maxwell开创性的2D/3D磁滞材料建模功能和精确的瞬态电磁场有限元分析技术，可精确分析电机的铁芯损耗和磁滞电机各种工况下的瞬态电磁性能，包括：磁滞损耗、转矩特性、功率平衡等。
电磁优化设计：RMxprt和Maxwell内置的参数化/优化算法，可便捷地对电机几何尺寸、材料属性、激励大小和频率等模型参数和仿真工况进行参数化扫描和优化设计，达到个性化的单目标或多目标组合优化。用户可基于RMxprt实现电机快速设计、大范围参数化扫描优选设计方案；基于Maxwell2D/3D瞬态电磁场有限元分析评估并优化电机在各种工况下的瞬态电磁性能、效率、成本等。
铁芯、涡流损耗计算：Maxwell可精确计算电机在各种正常和故障工况下的损耗，包括绕组铜耗、冲片铁耗、磁钢和导体涡流损耗等，这些损耗对电机效率、散热和温升、永磁体性能等都有很大影响，既有助于优化电机效率，实现高效节能，又有助于优化散热系统设计，降低电机温升。
高性能计算：Maxwell瞬态电磁场有限元分析全程（网格剖分、矩阵求解、场仿真数据处理等）支持多线程并行求解，且CPU利用率高，可充分利用硬件资源，大大加速单个设计的仿真进程。Maxwell参数化/优化方案支持多节点并行求解，可实现多节点线性加速，大大加速参数化/优化设计方案的多设计仿真进程。
定制化开发
ANSYS定制化开发工具提供专门针对电机电磁设计和优化的、内置的一键后处理工具（UDO和ToolKit）。此外，Maxwell和Q3D内提供各种定制化的工具，能更好的实现ANSYS界面的友好性，用户操作的方便性，从而更高效的为使用者定制属于个人的专属平台和界面。
典型电机电磁设计流程
电机设计工具包：UDO和ToolKit是Maxwell内置的、针对电机设计的定制化工具包。UDO能够在电磁场有限元分析结束后，直接输出电机的各种电磁性能数据；ToolKit能够一键完成永磁和感应电机的LdLq、效率Map图等，能够一键输出电机的转矩转速曲线等，且采用MPTA控制算法，并考虑温度、频变交流电阻、斜槽、不同频率下铁耗系数等对电机性能的影响。
电机等效短路模型提取：基于电机的瞬态电磁场有限元仿真模型，Maxwell定制化的工具包可自动抽取非线性的电机等效电路模型。该模型采用偏微分方程描述电机磁链与电流的关系，可直接导入Simplorer进行系统仿真，更快、更好地分析电机本体和控制系统的相互影响。
永磁体温度退磁参数提取：基于永磁体不同温度下的退磁曲线， Maxwell定制化永磁体温度退磁工具包可自动提取永磁材料的內禀退磁曲线与退磁曲线间的关系参数α与β，并利用这两个参数在Maxwell 和Fluent环境下对永磁电机的单/双向温度退磁特性进行仿真分析。
电缆寄生参数提取：Maxwell/Q3D定制化电缆设计工具包能自动、快速、高效建立参数化几何模型并求解，通过电磁性能分析、设计方案优化、高性能计算、电磁参数和系统模型提取，将电缆和电驱动系统设计、传导干扰分析结合起来，有助于实现高精度电驱动系统设计。
电机设计导航：针对电机企业个性化的研发需求，ANSYS可定制化全自动或半自动的电机设计流程和相应的工具包、中文设计界面、材料库、产品设计报告等，大大加速电机研发进程。中文设计界面可包含设计流程描述、技术指标输入、历史方案检索、初始方案分析、精确电磁分析、设计报告、图纸生成、文件归档以及设计规范查询等功能。
电机设计平台：针对电机企业个性化的研发需求，ANSYS可提供定制化的电机研发平台，既可无缝集成定制化开发的各种子项目，还可以定制化全面的电机设计流程和研发环境。在该研发环境中，不同的电机具有不同的设计流程和自动化仿真工具包，是根据用户的实际需求量身定制的，可大大提高企业的生产率，加速产品研发进程。
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