ansys電機優(yōu)化的案例
基于 Ansys Motor-CAD 與 optiSLang 的電機多學科優(yōu)化設計（上）
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作者：Ansys 中國 王楊
編者按
隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，各種應用領域都對電機性能指標提出越來越高的要求，例如效率高、轉(zhuǎn)速范圍寬、體積小、重量輕、功率密度大、噪聲低、成本低等，這要求電機設計必須兼顧電磁性能、溫升性能以及機械設計方面等多物理場性能，同時還要考慮電機的成本、研發(fā)周期等因素，如何在最短的時間內(nèi)將一款高性能、低成本的電機產(chǎn)品推向市場是目前各大電機廠商面對的課題。
Ansys Motor-CAD 電機多學科優(yōu)化設計
現(xiàn)代電機設計
現(xiàn)代電機設計是一個典型的多學科、強耦合、多變量、非線性的問題，其中多學科分析和優(yōu)化設計扮演了非常重要的角色。電機設計工作的特殊性要求設計工具必須具有以下幾方面特征：
兼顧磁路法的理論深度和有限元法的高精度，提供專業(yè)的前、后處理功能；
在電機全運行工況范圍內(nèi)，需要實現(xiàn)電磁和熱的雙向耦合，而且算法必須快速高效以滿足產(chǎn)品研發(fā)周期；
電機機械強度的分析需要在電磁設計階段同時進行，以減少設計迭代。
將同時具有以上特征的設計工具與優(yōu)化工具相結(jié)合，工程師便可以兼顧電磁、熱、機械性能，在電機設計初期獲得較好的設計方案，為后面的精確分析與優(yōu)化奠定基礎。Ansys Motor-CAD 是目前全球范圍內(nèi)唯一包含電磁、熱、機械的專業(yè)電機多學科設計工具，它同時兼顧了計算速度與精度，可在最短時間內(nèi)完成電機初始方案設計，同時結(jié)合強大的 Ansys optiSLang 優(yōu)化工具，從而使電機工程師在設計初期對電磁、熱、機械性能進行快速綜合優(yōu)化的夢想變?yōu)榭赡堋?/span>
展開 基于 Ansys Motor-CAD 與 optiSLang 的電機多學科優(yōu)化設計（下）
MOP 和有限元驗證結(jié)果對比
優(yōu)化后的設計方案
通過本文的例子我們可以看到，將強大的 Ansys Motor-CAD 與 optiSLang 相結(jié)合則如虎添翼，收獲超強電機設計工具，這種效應是 1+1 大于 2 的，利用這個工具，電機工程師不僅能解決電機優(yōu)化設計問題，也可以進行電機各種設計參數(shù)之間的 trade-off 分析，還可以基于高保真的 MOP 模型，研究設計參數(shù)與性能指標之間的相關性，這在電機概念設計階是非常有意義的。
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展開 從電機優(yōu)化到性能飛升！ANSYS Maxwell 低頻電磁場仿真全解析
一、軟件概述
ANSYS Maxwell 是 ANSYS 公司旗下一款功能強大的低頻電磁場仿真軟件，在電力、電子、機電等多個行業(yè)有著廣泛的應用。它基于有限元分析（FEA）、有限積分法（FIM）等先進算法，能夠精確模擬各種復雜的電磁現(xiàn)象，為工程師和科研人員提供可靠的設計分析工具。
二、核心功能
（一）電磁建模與分析
Maxwell 具備豐富的建模工具，可快速創(chuàng)建二維和三維電磁模型。用戶既可以通過軟件自帶的建模模塊繪制簡單的幾何形狀，也能導入由其他 CAD 軟件創(chuàng)建的復雜模型。針對不同的應用場景，它能進行靜磁場、低頻交流磁場、瞬態(tài)磁場等多種類型的分析，準確計算磁場強度、磁通密度、電磁力等關鍵電磁參數(shù)。
（二）電路與系統(tǒng)集成
軟件支持與電路設計工具集成，實現(xiàn)電磁 - 電路聯(lián)合仿真。這意味著工程師可以在一個環(huán)境中同時考慮電磁元件和電路系統(tǒng)的相互作用，例如在設計電機控制器時，不僅能分析電機內(nèi)部的電磁場，還能模擬控制電路對電機性能的影響，從而優(yōu)化整個系統(tǒng)的設計。
（三）材料特性定義
Maxwell 提供了廣泛的材料庫，涵蓋了各種常見的磁性材料、導電材料等。用戶可以根據(jù)實際需求自定義材料的電磁特性，如磁導率、電導率、相對介電常數(shù)等，確保模型能夠準確反映真實的物理特性。
（四）后處理與可視化
強大的后處理功能能夠?qū)⒎抡娼Y(jié)果以直觀的方式呈現(xiàn)出來。通過云圖、矢量圖、等值線圖等多種可視化方式，用戶可以清晰地觀察到電磁場的分布情況、電磁力的作用方向等。同時，還能提取關鍵數(shù)據(jù)進行進一步的分析和對比，幫助工程師評估設計方案的優(yōu)劣。
三、具體案例分析：三相感應電動機的優(yōu)化設計
（一）案例背景
某電機制造企業(yè)希望對一款三相感應電動機進行優(yōu)化設計，以提高其效率和性能。
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隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，各種應用領域都對電機性能指標提出越來越高的要求，例如效率高、轉(zhuǎn)速范圍寬、體積小、重量輕、功率密度大、噪聲低、成本低等，這要求電機設計必須兼顧電磁性能、溫升性能以及機械設計方面等多物理場性能，同時還要考慮電機的成本、研發(fā)周期等因素，如何在最短的時間內(nèi)將一款高性能、低成本的電機產(chǎn)品推向市場是目前各大電機廠商面對的課題。
現(xiàn)代電機設計是一個典型的多學科、強耦合、多變量、非線性的問題，其中多學科分析和優(yōu)化設計扮演了非常重要的角色。電機設計工作的特殊性要求設計工具必須具有以下幾方面特征：
兼顧磁路法的理論深度和有限元法的高精度，提供專業(yè)的前、后處理功能；
在電機全運行工況范圍內(nèi)，需要實現(xiàn)電磁和熱的雙向耦合，而且算法必須快速高效以滿足產(chǎn)品研發(fā)周期；
電機機械強度的分析需要在電磁設計階段同時進行，以減少設計迭代。
將同時具有以上特征的設計工具與優(yōu)化工具相結(jié)合，工程師便可以兼顧電磁、熱、機械性能，在電機設計初期獲得較好的設計方案，為后面的精確分析與優(yōu)化奠定基礎。Ansys Motor-CAD是目前全球范圍內(nèi)唯一包含電磁、熱、機械的專業(yè)電機多學科設計工具，它同時兼顧了計算速度與精度，可在最短時間內(nèi)完成電機初始方案設計，同時結(jié)合強大的Ansys optiSLang優(yōu)化工具，從而使電機工程師在設計初期對電磁、熱、機械性能進行快速綜合優(yōu)化的夢想變?yōu)榭赡堋?/span>
展開 
電機NVH測試優(yōu)化：鑄鐵平臺在噪聲振動測試中的基礎作用
在新能源汽車、工業(yè)電機、家電電機等領域，NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）功能是評估電機品質(zhì)的核心指標，直接影響產(chǎn)品舒適性、可靠性與市場競爭力。電
鑄鐵材質(zhì)本身具備的阻尼功能，振動傳遞率≤5%，能快衰減電機運行產(chǎn)生的高頻振動，避免平臺自身成為二次振動源，防止振動反射疊加影響測試信號。同時，平臺底部配備專用阻尼減振墊（阻尼比≥0.2），可隔離地面振動、設備共振等外部干擾，將環(huán)境振動對測試的影響控制在小范圍，確保振動傳感器采集的信號純度，為后續(xù)噪聲振動數(shù)據(jù)分析提供準原始數(shù)據(jù)。
在電機NVH測試平臺選型中，需根據(jù)電機規(guī)格與測試需求準匹配：針對中小型電機（功率≤50kW）的NVH測試，選用00級精度HT250材質(zhì)平臺即可滿足需求；針對大功率電機（功率＞50kW）或高頻噪聲振動測試場景，需選用QT600材質(zhì)增強剛性，搭配隔音罩安裝預留結(jié)構(gòu)，進一步優(yōu)化測試環(huán)境。同時，平臺需定期用激光干涉儀復核平面度，避免長期使用導致精度衰減，確保測試數(shù)據(jù)的一致性與可靠性。
綜上，鑄鐵平臺通過保障測試基準穩(wěn)定、抑振動干擾、優(yōu)化測試布置精度，在電機NVH測試中發(fā)揮著不可或缺的基礎作用，是提升測試精度、優(yōu)化測試流程的核心保障。在電機行業(yè)對NVH功能要求日益嚴苛的趨勢下，選用適配的鑄鐵平臺搭建電機NVH測試臺，是準評估電機噪聲振動功能、效推進NVH優(yōu)化的關鍵舉措，對提升電機產(chǎn)品品質(zhì)與市場競爭力具有重要意義。
展開 案例：永磁電機優(yōu)化
為了贏得市場，廠商需對電動機形狀進行優(yōu)化以會獲得更好的動力性和經(jīng)濟性，在此優(yōu)化設計中 modeFRONTIER發(fā)揮了巨大的作用，材料的物性參數(shù)、電機形狀的大小尺寸都為設計變量，進行多目標優(yōu)化設計，并從pareto解集中選出滿足設計者要求的最終優(yōu)化結(jié)果，modeFRONTIER通過與JMAG軟件耦合對電機進行計算分析最終得到優(yōu)化結(jié)果，極大了提高了設計效率，提高了設計質(zhì)量。
新能源驅(qū)動電機NVH設計與優(yōu)化
1 引言
在追求電機更優(yōu)性能的目標時，提高功率密度一直是電機工程師重要工作之一。電機功率密度越高，意味著電機在同等重量下發(fā)揮更大的功率和扭矩輸出。
近年來，隨著新能源車驅(qū)動電機的推廣與應用，電機的NVH越來越受到消費者關注，電機NVH水平逐漸成為評價一個電機性能重要指標。研究表明，電機NVH表現(xiàn)與電機輸出功率和扭矩有直接關系。同一款電機，電機輸出功率越小，電機的NVH表現(xiàn)越好。
對于同一款電機，其動力性與NVH表現(xiàn)越來越成為一個矛盾點。尋找最佳平衡點，使得電機綜合性能最優(yōu)，越來越成為電機設計的重要內(nèi)容。
2 電機氣隙對電機性能和NVH的影響
為提高電機功率密度，在滿足加工精度、產(chǎn)品強度等設計要求的前提下，電機工程師偏向于設計更小的氣隙，。這主要是因為，隨著電機氣隙增大，帶來兩方面的影響：（1）氣隙增加，空氣磁導率低，磁路磁阻增大，磁力線通過能力減弱；（2）在切向結(jié)構(gòu)的永磁同步電機中，轉(zhuǎn)軸側(cè)永磁體端部存在較大漏磁，氣隙長度增加，漏磁也增加。以上兩方面均會帶來電機性能的下降，即電機功率密度的降低。
然而小氣隙電機帶來了更明顯的電磁噪音，這主要是因為電機工作過程中，通過定、轉(zhuǎn)子間的電磁力作用，即切向的旋轉(zhuǎn)扭矩和徑向的電磁力，使得電機運轉(zhuǎn)起來。定、轉(zhuǎn)子間的電磁力，主要是徑向電磁力使定子產(chǎn)生振動而輻射噪音。通過增大氣隙，可減小氣隙磁場諧波分量，降低徑向力諧波，從而實現(xiàn)噪音的優(yōu)化。
因此，綜合考慮輸出能力和NVH的影響，選擇合理氣隙至關重要。本文通過有限元法，仿真分析了兩種氣隙下電機性能和NVH表現(xiàn)，并通過試驗進行了對比驗證。
3 設計方案介紹
本文以某款永磁同步驅(qū)動電機為研究對象，電機為強制水冷，內(nèi)轉(zhuǎn)子，電機最高轉(zhuǎn)速為12000rpm，電機殼體為鋁合金材料。
展開 案例：永磁電機優(yōu)化
為了贏得市場，廠商需對電動機形狀進行優(yōu)化以會獲得更好的動力性和經(jīng)濟性，在此優(yōu)化設計中 modeFRONTIER發(fā)揮了巨大的作用，材料的物性參數(shù)、電機形狀的大小尺寸都為設計變量，進行多目標優(yōu)化設計，并從pareto解集中選出滿足設計者要求的最終優(yōu)化結(jié)果，modeFRONTIER通過與JMAG軟件耦合對電機進行計算分析最終得到優(yōu)化結(jié)果，極大了提高了設計效率，提高了設計質(zhì)量。
電機振動噪聲建模分析：ANSYS電機振動噪聲分析
圖9 噪聲分析流程圖
對電機定子建立外流場模型，形狀可以自行定義。然后將諧響應分析的速度分布導入流場模型中定子外表面部分，并設定聲場分析邊界條件，如下所示。
圖10 導入諧響應速度分布
圖11 噪聲分析邊界條件
圖12 SPL分布圖
6. 結(jié)論與展望
通過ANSYS Workbench可以方便的分析電機振動噪聲，此外在此基礎上還可以進行多轉(zhuǎn)速分析以及對電機參數(shù)進行優(yōu)化分析。
文章來源：易仿真
永磁同步電機電磁振動噪聲自動優(yōu)化
1 前言
當前新能源汽車電機電磁振動噪聲，越來越受到電機開發(fā)人員的關注。如何快速定位噪聲源，優(yōu)化電機振動噪聲成為突出問題。
MANATEE(Magnetic Acoustic Noise Analysis Tool for Electrical Engineering)是法國EOMYS工程開發(fā)的電機振動噪聲仿真設計工具，是全球唯一一款專門應用于電機電磁-振動-噪聲耦合分析設計工具。專注于計算由麥克斯韋電磁力波引起的振動噪聲。軟件包括電力電子驅(qū)動模塊、電機電磁模擬模塊、機械模擬模塊以及噪聲模擬模塊、變速計算模塊、多物理場耦合模塊、優(yōu)化模塊等。能夠快速計算評估電機從0啟動至上萬轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速運行過程的振動噪聲狀態(tài)（20~20000Hz人感官范圍）。
由于電機電磁振動噪聲機理復雜，難于定位，很難找到噪聲源。本文從另外一個角度對電機的電磁振動噪聲進行優(yōu)化。遺傳算法是一種搜索最優(yōu)方案的算法，本文利用遺傳算法，實現(xiàn)電機的多參數(shù)優(yōu)化電機電磁振動噪聲。
2 基于MANATEE的電機電磁振動噪聲優(yōu)化
MANATEE所用遺傳算法為：NSGA2改進型遺傳算法。
Step one：在OP_InManatee_prob.m文件中設置遺傳算法計算參數(shù)
OP_InManatee_prob.m文件
在此文件中主要設置的參數(shù)為：初始種群數(shù)、進化迭代次數(shù)、目標函數(shù)文件等。
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1 前言
當前新能源汽車電機電磁振動噪聲，越來越受到電機開發(fā)人員的關注。如何快速定位噪聲源，優(yōu)化電機振動噪聲成為突出問題。
MANATEE(Magnetic Acoustic Noise Analysis Tool for Electrical Engineering)是法國EOMYS工程開發(fā)的電機振動噪聲仿真設計工具，是全球唯一一款專門應用于電機電磁-振動-噪聲耦合分析設計工具。專注于計算由麥克斯韋電磁力波引起的振動噪聲。軟件包括電力電子驅(qū)動模塊、電機電磁模擬模塊、機械模擬模塊以及噪聲模擬模塊、變速計算模塊、多物理場耦合模塊、優(yōu)化模塊等。能夠快速計算評估電機從0啟動至上萬轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速運行過程的振動噪聲狀態(tài)（20~20000Hz人感官范圍）。
由于電機電磁振動噪聲機理復雜，難于定位，很難找到噪聲源。本文從另外一個角度對電機的電磁振動噪聲進行優(yōu)化。遺傳算法是一種搜索最優(yōu)方案的算法，本文利用遺傳算法，實現(xiàn)電機的多參數(shù)優(yōu)化電機電磁振動噪聲。
2 基于MANATEE的電機電磁振動噪聲優(yōu)化
MANATEE所用遺傳算法為：NSGA2改進型遺傳算法。
Step one：在OP_InManatee_prob.m文件中設置遺傳算法計算參數(shù)
OP_InManatee_prob.m文件
在此文件中主要設置的參數(shù)為：初始種群數(shù)、進化迭代次數(shù)、目標函數(shù)文件等。
展開 
電動汽車電機總成懸置系統(tǒng)仿真分析及優(yōu)化
摘要
：為了對電動汽車電機懸置系統(tǒng)的固有特性進行分析，利用 ＡＤＡＭＳ 建立電機懸置系統(tǒng)六自由度仿真模型，計算電機總成懸置系統(tǒng)的固有頻率和能量解耦率，得出懸置系統(tǒng)各階固有頻率均大于內(nèi)燃機汽車，且繞電機軸線方向振動的固有頻率遠大于內(nèi)燃機汽車，整車豎直方向和俯仰方向存在嚴重的振動耦合。通過改變電機的懸置位置和剛度對電機懸置系統(tǒng)進行仿真優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明：通過改變電機的懸置位置和剛度，可以使懸置系統(tǒng)的固有頻率分布更加合理，能量解耦率得到提高。
關鍵詞
：電動汽車；電機懸置系統(tǒng)；ＡＤＡＭＳ；仿真
全球能源危機、環(huán)境污染問題日益嚴重，純電動汽車作為新能源汽車的一個重要方向，符合國家節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢，國內(nèi)諸多汽車制造廠和研究機構(gòu)對電動汽車進行了深入研究［１］
。電動汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的振動噪聲源差別較大。傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的噪聲主要來源于發(fā)動機噪聲、進排氣噪聲、散熱風扇噪聲、傳動系統(tǒng)噪聲、路面輪胎噪聲、車身振動噪聲和風噪聲［２］。電動汽車由于沒有發(fā)動機噪聲和進排氣噪聲這兩大主要噪聲，其噪聲比內(nèi)燃機汽車噪聲在一般工況下減小很多［３］，但由于電動汽車驅(qū)動電機的特殊性，在加速時電機會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動，并且瞬時轉(zhuǎn)矩沖擊較大［４-６］，這些振動和沖擊會傳給車架，引起
車內(nèi)振動噪聲和部件的疲勞破壞，此時噪聲比內(nèi)燃機汽車噪聲要大。
牽引電機通過懸置系統(tǒng)安裝在汽車車架上，懸置系統(tǒng)支撐電機的重量，對動力總成與車架間的振動起雙向隔離作用［７-９］。驅(qū)動電機在工作過程中，在懸置系統(tǒng)某一個自由度方向作用變化的激振力，并引起該方向的振動時，導致其他自由度方向的振動，出現(xiàn)耦合振動。由于耦合振動擴大了振動頻率的范圍，為了達到相同程度的隔離效果，懸置必須要更軟，從而使得穩(wěn)定性降低。因此，需要對懸置系統(tǒng)進行解耦優(yōu)化。
展開 車用永磁同步電機NVH 性能的優(yōu)化
機械噪聲主要是由于電機部件摩擦（如軸承）、幾何形狀不規(guī)則（如轉(zhuǎn)子不平衡）等產(chǎn)生的噪聲，機械噪聲一般隨轉(zhuǎn)速和負載電流的增加而變大。空氣動力噪聲是氣體在電機散熱系統(tǒng)中產(chǎn)生的渦流噪聲和笛鳴噪聲。其中，電磁噪聲對電機NVH 性能的影響最大，在設計時應給予慎重考慮。
2 電磁噪聲的性能優(yōu)化
1）適當增大氣隙長度。若將氣隙長度由δ1 增加至δ2，則以分貝表示的聲功率級之差參考如下公式：Lω1-Lω2=40lg（P1/P2）=40lg（δ1/δ2）。如圖1 所示，某款電機將氣隙由0.6 mm 增加至0.8 mm 后，60 階噪聲減小10 dB 以上。要注意的是：隨著氣隙長度的增加，在噪聲降低的同時，電機最大扭矩及效率也會有所降低，故要合理增大氣隙長度以更好地平衡電機性能與噪聲。
圖1 某電機氣隙加大前后噪聲對比
圖2 優(yōu)化前后諧響應振動（mm）及噪聲（dB）對比
2）合理設計轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。合理地設計轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠降低電磁場中的諧波成分，以減小徑向電磁力諧波及轉(zhuǎn)矩脈動。如圖2 所示，某電機定子方案不變，將轉(zhuǎn)子由直極改為斜極，同時對轉(zhuǎn)子沖片及永磁體的形狀進行優(yōu)化，優(yōu)化后電機的諧響應振動及噪聲值均有明顯改善。
3）調(diào)整定子總成的固有頻率。電機的結(jié)構(gòu)模態(tài)是電機NVH 的主要因素，對其進行仿真計算可確定電機的結(jié)構(gòu)模態(tài)，然后對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化可避開主要階次頻率的激勵源。
展開 純電動汽車電機嘯叫噪聲優(yōu)化
對于逆變器殼體490Hz共振問題，實施優(yōu)化措施如下：殼體厚度由原來的3mm增加至4mm、殼體背面增加加強筋結(jié)構(gòu)、逆變器殼體上表面粘貼阻尼片，具體措施如圖10所示。優(yōu)化后，逆變器上殼體模態(tài)頻率由488Hz提升至613Hz。
圖10 逆變器殼體結(jié)構(gòu)改進方案
對于右懸置支架580Hz強迫振動問題，實施優(yōu)化措施如下：綜合考慮布置空間和右懸置支架8階振動情況，在右懸置支架上安裝固有頻率為580Hz的動力吸振器，如圖11所示。該動力吸振器關鍵設計參數(shù)如下：Z向固有頻率滿足580Hz±5%Hz，質(zhì)量滿足200g±20g。
圖11 右懸置支架上安裝動力吸振器電機8階噪聲結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案總體如表1所示:
表1 電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案
3.5 電機優(yōu)化方案效果驗證
經(jīng)整車試驗驗證，體現(xiàn)電機逆變器殼體三個優(yōu)化方案及電機右懸置支架安裝動力吸振器后，車內(nèi)電機8階噪聲在490Hz峰值較原狀態(tài)降低5dB（A），在580Hz峰值降低7dB（A），優(yōu)化效果明顯，且電機8階噪聲水平基本在50dB（A）以下，主觀評價7分。
展開 純電動汽車電機嘯叫噪聲優(yōu)化
圖11 右懸置支架上安裝動力吸振器電機8階噪聲結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案總體如表1所示:
表1 電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案
3.5 電機優(yōu)化方案效果驗證
經(jīng)整車試驗驗證，體現(xiàn)電機逆變器殼體三個優(yōu)化方案及電機右懸置支架安裝動力吸振器后，車內(nèi)電機8階噪聲在490Hz峰值較原狀態(tài)降低5dB（A），在580Hz峰值降低7dB（A），優(yōu)化效果明顯，且電機8階噪聲水平基本在50dB（A）以下，主觀評價7分。
