目前國內對于電機設計的虛擬裝配已經基本實現，但虛擬設計以及虛擬實驗的應用仍不充分。電機的虛擬設計與虛擬實驗主要包括電磁、結構、散熱三個方面。對于常規的電機設計方法，計算工作量非常大，只能得到各物理場的平均結果而難以獲得其分布，且很難考慮各物理場耦合的問題。

本文與大家分享某電機廠對于新開發的某款電機進行的CAE多物理場分析方法，其中涉及電磁分析、結構分析（強度、振動、噪聲等）和散熱分析(流體、熱)。通過分析，可以為電機廠商提供電機電磁、結構、噪聲、流場和溫度等一系列參數的分布情況，使開發人員能夠有針對性的進行改善，從而大大縮短研發周期，降低研發成本。

本項目分析流程如圖1所示：

圖1  電機CAE多物理場分析流程

一、 電磁分析

以電機的實際結構建立磁場有限元模型，基于電磁——熱雙向耦合建立軸向通風各部件的電磁場數學模型和熱傳導方程，通過電磁——熱雙向迭代計算得到磁密分布、電磁力等結果。某電機的氣隙磁場磁力線分布如圖2所示。

圖2 某電機的氣隙磁場磁力線分布

二、 結構分析

1. 應力及應變分析

通過電磁——結構以及熱——結構的耦合，對電機進行了整機結構分析（包括整機強度分析、定子與機座配合計算、吊環強度分析等）、整機模態分析和滑環強度分析。通過分析可以獲得電機的應力及應變分布，從而驗證電機強度是否滿足設計要求。

圖3  某電機三階模態振型

2. 振動分析

通過電磁分析得到定子齒部節點的徑向及切向電磁力，映射處理至電機結構的網格模型中，進行振動分析。通過分析可以獲得電機的振動分布，并確認是否滿足設計要求。

圖4  某電機振動位移云圖

3. 噪聲分析

電機產生的三類噪聲及主要聲源如下圖所示，本項目對電磁噪聲和氣動噪聲進行了仿真，驗證了電機噪聲是否滿足設計要求。

（1） 電磁噪聲

通過電磁分析得到定子齒部的電磁力，映射處理至電機結構的網格模型中，通過FFT進行時頻轉換后，進行掃頻分析得到結構的頻率響應，以此結果進行噪聲分析。

圖5 振動-噪聲分析流程

（2） 氣動噪聲

除電磁噪聲外，還分析了氣動噪聲。通過流體分析得到電機內部流場，并通過瞬態分析得到電機內部流動隨時間的變化，最終通過FW-H分析方法預測氣動噪聲。

三、 散熱分析

電機的散熱設計影響到電機溫升，溫度的變化會影響鐵心和繞組的性能參數，進而影響電機的損耗和輸出功率。再反過來又影響電機的溫升。分析中考慮電磁—熱雙向耦合，最終得到電機額定工況下的流場和溫度場，包括電機內部熱空氣循環流量、鐵芯氣隙流量分配及溫度分布、定轉子等的溫度分布等。通過分析，提出了合理改善電機通風的方法。

圖6 散熱分析流程

四、 結論

本文針對電機設計所涉及到的電機結構強度、模態、噪聲、散熱冷卻等問題提供了CAE多物理場仿真分析解決方案。同時為后續建立電機產品數字化設計平臺提供了有效的工具和方法。