ansys電機優化設計的案例
基于 Ansys Motor-CAD 與 optiSLang 的電機多學科優化設計（上）
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作者：Ansys 中國 王楊
編者按
隨著國民經濟的快速發展，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、研發周期等因素，如何在最短的時間內將一款高性能、低成本的電機產品推向市場是目前各大電機廠商面對的課題。
Ansys Motor-CAD 電機多學科優化設計
現代電機設計
現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，提供專業的前、后處理功能；
在電機全運行工況范圍內，需要實現電磁和熱的雙向耦合，而且算法必須快速高效以滿足產品研發周期；
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化工具相結合，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化奠定基礎。Ansys Motor-CAD 是目前全球范圍內唯一包含電磁、熱、機械的專業電機多學科設計工具，它同時兼顧了計算速度與精度，可在最短時間內完成電機初始方案設計，同時結合強大的 Ansys optiSLang 優化工具，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化的夢想變為可能。
展開 基于 Ansys Motor-CAD 與 optiSLang 的電機多學科優化設計（下）
MOP 和有限元驗證結果對比
優化后的設計方案
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化設計問題，也可以進行電機各種設計參數之間的 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 PIDO智能仿真 | 基于Ansys Motor-CAD與optiSLang的電機多學科優化設計
隨著國民經濟的快速發展，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、研發周期等因素，如何在最短的時間內將一款高性能、低成本的電機產品推向市場是目前各大電機廠商面對的課題。
現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，提供專業的前、后處理功能；
在電機全運行工況范圍內，需要實現電磁和熱的雙向耦合，而且算法必須快速高效以滿足產品研發周期；
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化工具相結合，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化奠定基礎。Ansys Motor-CAD是目前全球范圍內唯一包含電磁、熱、機械的專業電機多學科設計工具，它同時兼顧了計算速度與精度，可在最短時間內完成電機初始方案設計，同時結合強大的Ansys optiSLang優化工具，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化的夢想變為可能。
展開 【設計】混合式磁鋼轉子結構的電動車用永磁磁阻電機優化設計
相比于普通工業用電機，電動車用電機有著以下特性需求：高功率和轉矩密度；較寬的調速范圍；起動時能夠輸出較大轉矩；高可靠性和魯棒性；轉矩脈動和振動噪聲小；成本低等。稀土永磁同步電機滿足了以上大部分的需求。但近年來我國稀土產量和出口量不斷下滑，需求量隨著新能源汽車發展而不斷攀升，導致稀土材料價格水漲船高，稀土永磁電機的成本不斷提升。因此，設計少稀土永磁電機成為當今電機設計中的熱門課題。國內外的專家學者開始重點關注永磁磁阻電機、同步磁阻電機、開關磁阻電機這類少稀土和無稀土永磁電機。
開關磁阻電機具有結構簡單牢固、起動轉矩高、調速范圍廣、容錯能力強和低成本的優勢，使其理論上非常適用于電動汽車。但在目前實際電動車用驅動系統中，開關磁阻電機的運用卻較少，這與其本身固有的一些缺陷有關：開關磁阻電機在換相過程中，繞組電流急劇變化，會引起較大的振動噪聲；轉矩密度和功率因數較低，轉矩脈動大。雖然電機本體成本低廉，但開關磁阻電機需用到特殊的功率變換裝置，使其驅動控制系統成本偏高。
同步磁阻電機因其調速范圍廣、加工簡單、成本低廉近年來備受學者關注。
展開 
新能源驅動電機NVH設計與優化
1 引言
在追求電機更優性能的目標時，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揮更大的功率和扭矩輸出。
近年來，隨著新能源車驅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表現越好。
對于同一款電機，其動力性與NVH表現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，越來越成為電機設計的重要內容。
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）在切向結構的永磁同步電機中，轉軸側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、轉子間的電磁力作用，即切向的旋轉扭矩和徑向的電磁力，使得電機運轉起來。定、轉子間的電磁力，主要是徑向電磁力使定子產生振動而輻射噪音。通過增大氣隙，可減小氣隙磁場諧波分量，降低徑向力諧波，從而實現噪音的優化。
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，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動電機為研究對象，電機為強制水冷，內轉子，電機最高轉速為12000rpm，電機殼體為鋁合金材料。
展開 Motor-CAD— 新能源驅動電機快速設計與優化工具
Motor-CAD作為一款專業的電機設計驗證工具，有著豐富的專業的電機模型庫，能夠輔助工程師實現電機快速參數化設計、多場耦合仿真性能評估與設計參數優化。同時，Motor-CAD集成在ANSYS產品體系解決方案中，與單學科專業CAE工具、機電控系統仿真工具（Twin Builder）等具有便捷的交互接口，能夠實現電機及相關產品全研發周期的性能評估和優化，幫助用戶更好地應對現代電機研發高效率、寬轉速范圍、高功率密度、低噪聲、低成本等的挑戰。
主要功能模塊及特點
軟件共有電磁（EMag）、熱（Therm）、機械（Mech)、優化（Opt）和虛擬實驗室（Lab）五個模塊，結合專業的前后處理功能及高效算法，可實現磁熱雙向耦合等分析優化。涵蓋電機冷卻系統設計、循環工況效率與損耗優化等工程問題的解決方案，是傳統CAE仿真求解器數倍以上效率，更適合設計工程師。
展開 一文了解基于Motor-CAD的電機快速多學科設計與優化
01基于模板的電機快速設計
Motor-CAD可應用于各種類型的永磁、磁阻、感應電機的快速電磁、熱綜合設計，包括：
永磁同步電機
無刷直流電機
單/三相感應電機
同步磁阻電機
開關磁阻電機
電勵磁同步發電機
永磁直流電機
爪極電機
直流有刷電機
02電機全運行范圍性能快速計算
Motor-CAD Lab 使工程師可以快速地創建效率map圖，繪制扭矩/速度特性，研究連續和峰值熱約束運行包絡，并分析驅動周期循環性能。
效率和損耗map圖
峰值轉矩/轉速曲線
連續轉矩/轉速曲線
開路和短路試驗
DQ 電感曲線計算
多工況銅損、鐵損、永磁體渦流損耗計算
03電機多學科多目標優化設計
利用Motor-CAD與optiSLang之間的接口可以方便的實現電機多學科、多工況、多目標優化設計。
電機效率與成本優化
電機連續轉矩密度/功率密度優化
電機散熱結構優化
電機轉子減重與結構強度優化
電機轉矩脈動與齒槽轉矩優化
電機峰值扭矩/峰值功率優化
基于Motor-CAD的電機快速多學科設計與優化能實現什么？
Ansys Motor-CAD是目前全球范圍內唯一包含電磁、熱、機械的專業電機多學科設計工具，它同時兼顧了計算速度與精度，可在最短時間內完成電機初始方案設計，結合強大的Ansys optiSLang優化工具，使得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化的夢想成為可能。
展開 案例分享 | 使用基于MOP的帕累托優化開展多標準電機設計
Motor Design（MDL）公司總部位于英國雷克瑟姆，其電機設計專家團隊開發的Motor-CAD軟件由高效的電機建模和仿真工具構成，能夠全面展示電機的電磁屬性、熱屬性以及機械屬性。該軟件的Motor-CAD Lab組件能從所有的多物理場子模型獲取數據并以針對關鍵電機屬性（如鐵磁材料磁滯及磁飽和引起的損耗）生成的降階模型（ROM）為基礎，在幾分鐘內生成整個性能map圖。
由創始人Dave Staton和開發總監JamesGoss領導的MDL團隊，在學術界和業界積累了數十年的經驗。優化設計工具Ansys optiSLang的引入如何得以從一開始就對電機設計的方法產生影響，是件值得思考的事情。一般情況下，我們首先會根據簡單的初步計算做出一些基礎的設置決定，如電機軸向長度、極數、槽數、繞組匝數。只有在確定了這個框架之后，算法優化才會在下游得到進一步應用。顯然，在初步框架階段采取的次優決策可能會使整個電機設計流程走上錯誤的軌道。憑借其自動化功能和敏感度分析功能，Ansys optiSLang從整個電機設計流程的一開始就很大程度地實現了系統化和客觀化。
本案例概述了當前用于插電式混合動力汽車的永磁同步電機的緊湊設計流程發展狀況，并展示了如何運用自動化分步模型構建和基于MOP的帕累托優化來確保對可用設計空間進行真正的廣泛探索，即避免過早收窄框架選擇范圍。
電機模型
所選擇的電機類型和拓撲是永磁同步電機。轉子中嵌入的磁鐵以V型排列形成磁極。這是一種著名的設計，它是由豐田為第一代普銳斯發明的。
展開 IPM電機隔磁橋電磁&結構多目標優化設計
隨著驅動電機功率密度的不斷提升，對電機的最高轉速也提出了更高的要求。在IPM電機中，轉子隔磁橋需要承受更大的離心應力，同時還必須確保足夠的隔磁性能。為了有效分散轉子應力，磁極拓撲結構變得愈發復雜，雙層甚至多層永磁體的設計變得非常普遍。這使得隔磁橋和孔的幾何設計具有更高的自由度和復雜性。
因此，如何在隔磁橋的尺寸設計中兼顧電磁性能和結構強度，成為一個典型的多物理場權衡設計問題。然而，僅憑借經驗來設計滿足所有設計任務要求的轉子隔磁橋尺寸非常具有挑戰性。
在這個案例中，我們將展示如何利用Maxwell UDP（參數化轉子幾何），結合Ansys Maxwell、Mechanical和optiSLang，來實現對IPM轉子隔磁橋進行多物理、多目標優化設計。這樣的綜合優化方法將有助于找到最佳設計方案，既能提高電機性能，又能滿足結構強度的要求。
展開 Moldex3D模流分析之建準電機應用Moldex3D優化熱流道設計
圖三 各階段流動波前溫度分析：(a) EOF，(b) EOP，(c) EOC，(d) 開模
圖四 各階段熱澆道截面溫度分析：(a) EOF，(b) EOP，(c) EOC，(d)開模
根據上述分析結果，建準電機將熱澆道做局部優化，針對熱流板、加熱線圈以及流道轉角進行設計優化，結果如圖五所示。優化設計后的分析結果如圖6所示，熱流道內部，箭頭標示位置，已經沒有溫度過低趨勢，而熱流道外部也有相同結果。
圖五 熱澆道之原始設計和設計變更比較
圖六 優化后之塑料流動波前溫度分析：(a) 熱流道內部 ，(b) 熱流道外部 (時間:EOF)
實際試模結果如圖七、圖八，結果顯示建準電機將熱澆道做局部優化后，產品射出時不合理壓力過高情況已經獲得改善。
圖七 現場壓力響應圖比較(熱澆道及噴嘴損失壓力)
圖八 現場壓力響應圖比較(產品射出)
結果
建準電機藉由Moldex3D進階熱流道模塊分析發現冷料位置，確實找出射出不穩定與壓力異常原因。利用軟件分析之冷料位置進行設計變更優化，內容包含流道設計與熱澆道加熱系統設計。結果顯示，優化后熱澆道壓力下降達50%，且呈現穩定趨勢，證明改善流道溫度分布后可有效的改善成型效益，Moldex3D的溫度分析與實際的內部看不到情況是相符的。利用Moldex3D 可讓非熱流道設計廠商也能夠參與或擁有熱流道設計概念，提升模具與產品生產能力。
展開 行業應用方案 | 基于Motor-CAD的電機快速多學科設計與優化
效率和損耗map圖
峰值轉矩/轉速曲線
連續轉矩/轉速曲線
開路和短路試驗
DQ 電感曲線計算
多工況銅損、鐵損、永磁體渦流損耗計算
03、電機多學科多目標優化設計
利用Motor-CAD與optiSLang之間的接口可以方便的實現電機多學科、多工況、多目標優化設計。
電機效率與成本優化
電機連續轉矩密度/功率密度優化
電機散熱結構優化
電機轉子減重與結構強度優化
電機轉矩脈動與齒槽轉矩優化
電機峰值扭矩/峰值功率優化
基于Motor-CAD的電機快速多學科設計與優化
Ansys Motor-CAD是目前全球范圍內唯一包含電磁、熱、機械的專業電機多學科設計工具，它同時兼顧了計算速度與精度，可在最短時間內完成電機初始方案設計，結合強大的Ansys optiSLang優化工具，使得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化的夢想成為可能。
展開 
案例分享 | 使用基于MOP的帕累托優化開展多標準電機設計
上期PIDO智能仿真專題中，由Ansys中國高級應用工程師王楊帶來 基于Ansys Motor-CAD與optiSLang的電機多學科優化設計 介紹。本期案例分享將詳細介紹Motor Design公司工程師如何將Motor-CAD與optiSLang相結合，利用多物理場仿真技術對EV應用的電機設計空間進行數據驅動的探索。
Motor Design（MDL）公司總部位于英國雷克瑟姆，其電機設計專家團隊開發的Motor-CAD軟件由高效的電機建模和仿真工具構成，能夠全面展示電機的電磁屬性、熱屬性以及機械屬性。該軟件的Motor-CAD Lab組件能從所有的多物理場子模型獲取數據并以針對關鍵電機屬性（如鐵磁材料磁滯及磁飽和引起的損耗）生成的降階模型（ROM）為基礎，在幾分鐘內生成整個性能map圖。
由創始人Dave Staton和開發總監JamesGoss領導的MDL團隊，在學術界和業界積累了數十年的經驗。優化設計工具Ansys optiSLang的引入如何得以從一開始就對電機設計的方法產生影響，是件值得思考的事情。一般情況下，我們首先會根據簡單的初步計算做出一些基礎的設置決定，如電機軸向長度、極數、槽數、繞組匝數。只有在確定了這個框架之后，算法優化才會在下游得到進一步應用。顯然，在初步框架階段采取的次優決策可能會使整個電機設計流程走上錯誤的軌道。憑借其自動化功能和敏感度分析功能，Ansys optiSLang從整個電機設計流程的一開始就很大程度地實現了系統化和客觀化。
展開 一種電機軸螺桿加工專用的數控銑床機械結構系統優化設計
在滿足零件加工范圍、不削弱剛度的條件下，根據電機輸出功率和主軸設計原則，初步確定主軸的懸伸量、支承跨距大小以及孔徑尺寸。研究系統所受載荷分布特征，合理選擇軸承類型并進行軸承壽命校核。根據傳動配置方式，傳動比值要求，查閱相關設計手冊，確定各類工況系數，綜合考慮安裝空間限制，合理設計傳動部件尺寸并完成校核。利用ANSYS有限元分析軟件，對主軸傳動系統進行靜態、動態特性分析，主要研究主軸的強度、剛度、振型和主軸結構參數之間的規律變化，優化主軸傳動系統的設計方案。2）軸向和徑向傳動系統設計。根據旋風銑床加工精度、加工行程、進給速度、負載大小等技術要求，確定滾珠絲杠副的工作參數，初步計算確定絲杠導程、精度、額定動載荷，估算最大允許軸向變形量、螺紋底徑，確定滾珠絲杠副規格代號，并進行各項性能校核。計算分析絲杠總轉動慣量、絲杠總負載轉矩、空載加減速轉矩等，合理選擇電機型號并校核。根據系統的最大負載力和絲杠預拉伸軸向力總和的大小來確定軸承副的最大軸向載荷，基于該值進一步計算軸承副的預緊力大小、軸承副的額定動載荷、軸承的當量載荷等基本信息，確定軸承型號并校核。根據滾動導軌的選用準則以及導軌副的實際工作情況，確定軌寬、軌長、滑塊類型、精度等級、組合高度類型、預壓等級等。分別對軸向和徑向傳動系統進行動態分析，優化傳動系統的設計。
1.3 基于靈敏度分析的床身優化設計
床身是旋風銑床最重要的支撐元件，其結構的合理性和性能好壞將直接影響機床的加工精度和裝備的制造成本。從布局形式、載荷分布、剛性、整體穩定性等方面對現有旋風銑床的床身結構進行分析，項目擬采用減振抑振效果較好的局部瓦楞型筋板及肋骨強化的高剛性階梯型床身結構。
展開 【9月7-10日 廣州】“電機設計及電磁仿真、優化” 專題
“電機設計及電磁仿真、優化” 專題
一、課程背景：
電機電磁方案設計是電機設計中的重要組成部分，特別是現在原材料成本壓力越來越大，企業對電機的成本控制更加嚴格，對于電機工程師來說需要更高電機的設計要求。以前我們進行電機設計主要通過手算結果加上經驗修正，而手算加經驗往往需要多年積累和龐大的計算量，從而造成時間成本高、產品成本高、公司競爭力下降。為縮短產品設計時間，提高產品性能，全面掌握電機電磁場情況，特舉辦“電機設計及電磁仿真、優化”專題培訓。
本次培訓針對電機行業的路算模塊，2D和3D模型有限元模塊，UDO、Toolkit插件、內置電路編輯器等方面展開，是新一代電機工程師掌握電磁仿真的必要技能。
二、增值服務：
1、贈送定制U盤一個；
2、同一單位2人報名享受9折優惠；同一單位3人以上（含）報名享受8.5折優惠；
3、課程結束后贈送10套學習資料；
4、參訓學員或企業針對課程相關問題在課程結束后也可以得到老師的解答與指導（郵件、微信、電話），作為培訓講授的補充。
三、授課專家：
主講老師均來自著名高校、科研機構及企業的高級專家和高級工程師，長期從事CAE仿真領域的教學科研工作，從事多項國家重點研發計劃項目，具有資深的技術底蘊和專業背景，擁有豐富的科研及工程技術經驗。
四、時間地點：
2018年9月7日-9月10日 廣州
(第一天報到，授課3天)
五、課程大綱：
六、培訓費用：
1、標準費用：3800元/人（含培訓費、資料費、培訓期間午餐費、結業證書費），住宿可統一安排，費用自理。
2、定制內訓：根據企業實際問題和產品模型，結合人員水平設計課程由專家上門授課。
展開 【5月24-27日 北京】Maxwell電機電磁設計及參數優化仿真
背景
電機電磁方案設計是電機設計中最重要部分，特別是現在原材料成本壓力越來越大，企業對電機的成本控制更加嚴格，對于電機工程師來說需要更高電機設計的要求，以前我們進行電機設計往往通過手算結果再加上經驗修正，手算加經驗往往需要許多年積累并且計算量大，造成時間成本非常高，從而造成產品成本高，造成公司競爭力下降，特別現在產品設計往往要求時間更短和產品更優，近十年有限元等數值模擬方法計算的成熟，電機電磁方案設計完全可以借用有限元軟件仿真得到更好的方案，時間成本更低，除此之外還有能全面考核電機電磁場情況等優點，新一代電機工程師掌握一種仿真軟件是必要的技能，提升自身競爭力的有力說服力。
ANSYS Maxwell是現下優秀電磁場分析軟件，電機是它的最主要應用領域之一，它針對電機行業推出路算模塊，2D和3D模型有限元模塊，UDO、Toolkit等插件，還有內置電路編輯器等方面，它基本能滿足現下所有電機類型電磁設計工作。為能讓電機工程師提升電機仿真能力，快速設計高性能電機，掌握軟件的各項功能用于電機設計工作去。特舉辦“Maxwell電機電磁設計及參數優化仿真”培訓。詳情請參見第四部分“內容大綱”。
時間地點
時間：2019年5月24日-5月27日（第一天報到，授課3天）
地點：北京
主講專家
該課程講師，具有12年電磁工程仿真分析經驗，具備電磁熱等多物理場耦合仿真分析能力，一直對外提供技術咨詢服務，扎實的電磁和數值計算理論基礎；熟練掌握ANSYS EM、Workbench、Matlab等軟件，有變壓器電磁和磁熱仿真、電機電磁、磁熱和電磁振動噪聲仿真、耦合器電磁仿真、電磁銜鐵機構電磁仿真等項目經驗。培訓40多場次，學員上千人。
內容大綱
報名費用
標準費用：3980元/人，食宿可統一安排，費用自理。
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