電機強度的案例
【4月19-22日 無錫】ANSYS Workbench電機結構強度、模態、振動仿真實例
背景
電機結構設計的基本內容包括四個方面，一是確定電機的防護形式、軸承型式和數目、軸伸型式和數目、安裝方式和冷卻系統等；二是確定電機某零部件具體的結構型式、形狀和具體尺寸，使用的材料；三是確定電機機械聯接的零部件之間的聯接方式；四是核算電機零部件的機械性能，包括強度、剛度、變形等的計算；而這幾部分內容之間是有相互關系和相互影響，需要電機結構工程師考慮充分及計算結構強度等問題準確，計算結構相關問題準確往往需要使用當下有限元等仿真方法。
先進的仿真平臺ANSYS Workbench是能實現結構靜力學、模態、諧響應、振動等仿真，Workbench獨特的項目圖形化界面把整個仿真過程緊密結合在一起，完成復雜的多物理場耦合分析，通過電磁場與電場、電磁場與熱場和電磁場與結構等物理場相互耦合分析產品，可以在產品設計階段就能減少產品問題。特舉辦“ANSYS Workbench電機結構強度、模態、振動仿真實例”培訓。詳情請參見第四部分“內容大綱”。
時間地點
時間：2019年4月19日-4月22日（第一天報到，授課3天）
地點：江蘇*無錫
主講專家
該課程講師，具有13年電機設計及仿真分析經驗，具備電機結構及電磁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，具有扎實的數值計算理論基礎；熟練掌握ANSYS EM、Workbench、Matlab等軟件。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。
展開 Prius2004電機轉子沖片強度評估 ￥1
https://mp.weixin.qq.com/s/xCvmodbLpmMBYlltObLk8w
新能源汽車驅動電機多為永磁同步電機，其轉子沖片為多片硅鋼疊壓而成，沖片中開槽用來放置磁鋼及減重設計。高速永磁同步電機，定轉子氣隙很小，0.5~1.0mm左右，尤其在高速運行時，在磁鋼離心力的作用下，轉子沖片易產生變形，在隔磁橋等結構薄弱位置，易出現變形過大，導致定轉子產生摩擦，致使電機損壞等故障。故對永磁同步電機在高速離心力作用下的轉子沖片強度進行CAE評估顯得尤為必要。
以Prius2004款電機沖片模型為例，進行高速離心力下的轉子沖片強度及剛度性能評估。
展開 電機機座和法蘭盤的結構靜強度校核
1 分析內容和目的
本項目是與某集團電機廠合作對某型電機機座和法蘭盤部分進行結構靜強度校核。
2 分析方案
應用ANSYS Mechanical軟件對法蘭盤和機座進行靜強度分析。在分析中考慮兩個零件是通過螺栓固定在一起，可采用ANSYS提供的接觸綁定的功能將兩個部件進行固接。電機通過法蘭盤的端部的四個螺栓孔水平安裝在機構上，在模擬中可將法蘭盤的端部固定約束。由于安裝的環境和電機發熱的影響，考慮溫度載荷的作用。電機自重作用可轉化為力加到重心上。轉矩可相應轉化到機座上，通過機座將轉矩傳給法蘭盤。
依據上述分析思路，具體分析步驟如下：
第一步——零件裝配：基于客戶提供的三維幾何零件模型，在DM中進行裝配和編輯。
第二步——網格劃分：對三維幾何模型進行網格劃分，采用ANSYS—MESH進行自動網格劃分。
第三步——邊界條件設置：基于網格計算模型，施加各種邊界條件和載荷。
第四步——計算求解：提交上述調試通過的求解文件，實現求解分析。
第五步——撰寫計算結果分析報告：利用Workbench后處理功能，對計算結果文件進行各種數據處理，對法蘭盤的靜強度進行校核。
3 定義材料屬性
在WORKBENCH的Engineering Data 中定義材料HT200屬性，包括楊氏模量和泊松比，以及材料熱膨脹系數和參考溫度，具體參數數值見下表
表5-1 材料參數
4 零件裝配與網格劃分
將由廠方提供的兩個單體零件在DM中進行裝配，可充分利用DM強大的幾何建模和編輯功能，按照兩者的裝配關系進行準確定位。
展開 電機CAE仿真解決方案
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.
展開 
電機快速數字設計方案
幫助用戶預判熱點風險區域、選擇合理的冷卻方式、優化冷卻結構，確保電機冷卻系統設計方案的合理性。
功能模塊：
1、電機方案數字設計迭代模塊
1) 適用于電機的初期方案設計與優化；
2) 內置常用的電機全參數化建模模板，實現電機初期方案的快速構建；
3) 基于等效磁路法分析電機在各種工況負載下的電磁性能、輸出特性以及效率等；
4) 輔助用戶在電機前期設計階段，快速評估迭代電機尺寸設計、繞組設計、電氣設計以及電機性能；
5) 快速生成有限元分析模型開展詳細設計與優化。
2、電機電磁性能數字模擬計算模塊
1） 電機電磁場求解
? 靜電場、瞬態電場、靜磁場、時諧磁場、瞬態磁場與場路耦合等。
2） 電機運動問題
? 旋轉電機的2D/3D旋轉運動；
? 直線電機的2D/3D直線運動。
3） 電機電磁場量計算
? 磁場強度、磁感應強度、磁力線、磁場能量、損耗密度、電流密度、電磁力密度等。
4） 電機電磁特性計算
? 電感矩陣、電容矩陣、電阻；
? 渦流損耗、鐵芯損耗；
? 電磁力、電磁力矩；
? 三相電流、電壓與D、Q軸電流、電感等
3、電機結構強度與NVH數字模擬分析模塊
1） 電機結構動力學分析
? 線性\非線性靜力分析：靜載荷作用；
? 模太分析：各階模態頻率、振型，確定振動特性；
? 諧響應分析：電磁力諧波作用的穩態響應、受迫振動；
? 瞬態動力分析：準靜力載荷的時域分析；
? 隨機振動分析：功率譜密度載荷、響應的概率分布。
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
借助Motor-CAD與optiSLang，電機工程師可以在概念設計階段快速評估設計參數對電磁、熱、機械強度的綜合影響，在最短時間內給出電機最佳初始設計方案，另外借助Motor-CAD與Maxwell、Twin Builder之間的軟件接口，工程師可進一步對初始設計方案進行電磁場高精度分析、系統級場路協同仿真分析。
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。
展開 基于Ansoft Maxwell的永磁直流空心杯電機有限元分析
圖1 永磁直流空心杯電機結構模型圖
圖2 有限元網格剖分圖
表1 電機結構尺寸與相關參數 導出到EXCEL
技術參數
參數值
技術參數
參數值
機殼外徑/mm
25
額定電壓/V
24
機殼內徑/mm
21.2
額定轉矩/N·m
0.03
電樞杯外徑/mm
19.7
額定電流/A
1.45
電樞杯內徑/mm
15.7
輸出功率/W
≮24
磁鋼外徑/mm
15.1
極數
2
磁鋼內徑/mm
6
繞組數
9
2.2 磁場計算的數學模型
在Ansof Maxwell軟件中，采用如下方程組來求解電磁場問題：
式中，H為磁場強度，A/m; J 為電流密度，A/m2;D為電位移矢量，無量綱；E為電場強度，V/m ;B為磁感應強度，T;ρ為電荷密度，C/m3。
式中，H為磁場強度，A/m; J 為電流密度，A/m2;D為電位移矢量，無量綱；E為電場強度，V/m ;B為磁感應強度，T;ρ為電荷密度，C/m3。
本文利用Maxwell中的二維模塊進行仿真，僅考慮電位移矢量的軸向分量，只需研究與永磁直流空心杯電機軸線垂直的界面磁場分布[4]。
展開 電機本體設計仿真解決方案
基于optiSLang的電機多目標優化設計
8.1 問題描述
8.2 輸入模型參數化
8.3 Workbench中建立分析用Maxwell模型
8.4 定義輸入輸出變量
8.5 添加OptiSLang設置
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，在這其中多學科分析扮演了非常重要的角色。電機設計工作的特點要求設計工具需要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的需求；
● 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概念設計方案，為后面的精確分析與優化奠定基礎。
......
......
......
實例1：中等規模混合勵磁電機模型仿真，網格數量463.6k，仿真硬件平臺為雙CPU計算機，共16核32線程，102 G共享內存。
中等規模混合勵磁電機模型和TAU網格規模
瞬態磁場求解器下，采用Maxwell HPC同時調用32核計算（超線程打開），仿真完成后的總求解時間（Total time）比單CPU單核計算速度提高了15.2倍。在Maxwell整體計算過程中，矩陣求解時間占整個計算過程時間比例最大，單獨監控非線性矩陣計算過程，則瞬態速度可以達到近30倍的加速，與參與求解的計算機核數相比，基本達到線性加速效果，加速效果非常明顯。說明Maxwell HPC 的可擴展性非常好，利用更多的CPU核能夠達到更好的提速效果。
展開 一文了解基于Motor-CAD的電機快速多學科設計與優化
隨著產業不斷發展，各行業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等方面的多物理場性能，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難題。
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，在其中多學科分析和優化設計扮演了非常重要的角色。電機設計工作的特點要求設計工具需要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
電磁和熱的耦合分析必須快速高效以滿足產品研發周期的需求
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解決方案：
Ansys Motor-CAD 集成了電磁場有限元法、磁路法、熱路法、結構有限元法，20 年積累的豐富電磁熱計算經驗數據，有效提升了不同種類、不同冷卻型式電機電磁與熱計算的效率。借助Motor-CAD與optiSLang，電機工程師可以在概念設計階段快速評估設計參數對電磁、熱、機械強度的綜合影響，在最短時間內給出電機最佳初始設計方案，另外借助Motor-CAD與Maxwell、Twin Builder之間的軟件接口，工程師可進一步對初始設計方案進行電磁場高精度分析、系統級場路協同仿真分析。
展開 記住這幾個電機原理及幾個重要公式，搞清楚電機so easy！
將上面兩個公式結合一下，就可以得到電機磁通強度計算公式為：B=E/（4.44*f*N*S）。
更多電工電氣電路水電裝修專業知識請關注微信公眾號:電工干貨，或者加小編V?:2650502291，感謝！
2）另外一個是安培力公式，我們要知道線圈受到的力是多少，就需要這個公式F=I*L*B*sinα，其中I為電流強度，L為導體長度，B為磁場強度，α是電流方向與磁場方向間的夾角。當導線垂直于磁場時候，公式就變成F=I*L*B了（如果是N匝線圈的話，磁通B就是N匝線圈的總磁通，而不需要再乘N了）。
知道了受力，就知道轉矩，轉矩等于扭力乘以作用半徑，T=r*F=r*I*B*L（向量乘積）。通過功率=力*速度（P=F*V）以及線速度V=2πR*每秒轉速(n秒)兩個公式 ，可以與功率建立上關系，得到下面序號3的公式。不過要注意，這時候使用實際輸出扭矩，所以計算出的功率是輸出功率。
2、交流異步電機的轉速計算公式：n=60f/P，這個很簡單，轉速與電源頻率成正比，與電機極對子（記住是一對）數成反比，直接套用公式就好。不過這個公式實際計算出是同步轉速（旋轉磁場速度），異步電機實際轉速會略低于同步轉速，所以我們往往會看到4極電機一般是1400多轉，達不到1500轉。
3、電機轉矩、功率計轉速的關系：T=9550P/n（P是電機功率、n是電機轉速），可以從上面序號1內容中推導出來，不過我們沒必要學會推導，記住這個計算公式就可以。不過再次提醒，公式中功率P不是輸入功率，而是輸出功率，由于電機有損耗，輸入功率不等于輸出功率。但是書本上往往理想化，將輸入功率等于輸出功率了。
4、電機功率（輸入功率）：
1）單相電機功率計算公式：P=U*I*cosφ，如果功率因數為0.8，電壓為220V，電流為2A，那么功率P=0.22×2×0.8=0.352KW。
展開 混合式永磁同步電機轉子磁路結構研究
磁障類似于常規永磁電機的磁鋼槽，永磁體置于磁障之中，為提高磁阻轉矩的利用率，同步磁阻電機的磁障一般設計為多層結構。本文定義靠近氣隙的磁障為第一層磁障，磁障徑向寬度W為磁障寬度，為簡化分析，本文設定每層磁障的寬度一致，由一層至三層的磁障寬度分別為W1，W2，W3。定義兩層磁障之間硅鋼片區域為磁障間隔，其寬度為磁障間隔寬度，每層磁障間隔寬度一致，由一層磁障至三層磁障之間分別為H1，H2。定義轉子圓心到磁障中間段下沿的距離為磁障深度D，由一層到三層的磁障深度分別為D1，D2，D3。
圖1 永磁磁阻電機結構示意圖
2 磁障形狀及層數對電機性能的影響
本文以一臺52 kW電動汽車用混合式永磁同步電機為研究目標，電機的基本參數如表1、表2所示。
表1 電機基本性能參數
表2 電機基本結構參數
2.1 磁障形狀的影響分析
以前述52 kW樣機為例，在電機定轉子直徑及其他結構參數不變的情況下，根據同步磁阻電機的設計方法，研究電機磁障結構參數對電機最大輸出轉矩能力的影響。在此基礎上，在磁障中插入永磁體，研究此時永磁電機的輸出轉矩能力，進而總結相應的優化設計規律。目前，國內的乘用車驅動電機的功率主要集中在50～150 kW之間，轉速集中在10 000～16 000 r/min之間，電機的定子外徑尺寸主要集中在180～220 mm之間。因此，磁障層數及結構參數是對磁阻轉矩比例影響較大的因素，但需要注意的是，改變電機磁障層數，電機的轉子機械結構強度也可能隨之改變。在實際電機設計過程中，需關注最高轉速下，電機強度是否滿足工作要求，因篇幅所限，本文不展示強度的校核計算結果。
展開 
記住這幾個電機原理及重要公式，搞清楚電機很容易！
將上面兩個公式結合一下，就可以得到電機磁通強度計算公式為：B=E/（4.44*f*N*S）。
2）另外一個是安培力公式，我們要知道線圈受到的力是多少，就需要這個公式F=I*L*B*sinα，其中I為電流強度，L為導體長度，B為磁場強度，α是電流方向與磁場方向間的夾角。當導線垂直于磁場時候，公式就變成F=I*L*B了（如果是N匝線圈的話，磁通B就是N匝線圈的總磁通，而不需要再乘N了）。
知道了受力，就知道轉矩，轉矩等于扭力乘以作用半徑，T=r*F=r*I*B*L（向量乘積）。通過功率=力*速度（P=F*V）以及線速度V=2πR*每秒轉速(n秒)兩個公式 ，可以與功率建立上關系，得到下面序號3的公式。不過要注意，這時候使用實際輸出扭矩，所以計算出的功率是輸出功率。
2、交流異步電機的轉速計算公式：n=60f/P，這個很簡單，轉速與電源頻率成正比，與電機極對子（記住是一對）數成反比，直接套用公式就好。不過這個公式實際計算出是同步轉速（旋轉磁場速度），異步電機實際轉速會略低于同步轉速，所以我們往往會看到4極電機一般是1400多轉，達不到1500轉。
3、電機轉矩、功率計轉速的關系：T=9550P/n（P是電機功率、n是電機轉速），可以從上面序號1內容中推導出來，不過我們沒必要學會推導，記住這個計算公式就可以。不過再次提醒，公式中功率P不是輸入功率，而是輸出功率，由于電機有損耗，輸入功率不等于輸出功率。但是書本上往往理想化，將輸入功率等于輸出功率了。
4、電機功率（輸入功率）：
1）單相電機功率計算公式：P=U*I*cosφ，如果功率因數為0.8，電壓為220V，電流為2A，那么功率P=0.22×2×0.8=0.352KW。
展開 基于 Ansys Motor-CAD 與 optiSLang 的電機多學科優化設計（上）
文章發布：上海安世亞太官方訂閱號（搜索：PeraShanghai）
聯系我們：021-58403100
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 混合式永磁同步電機轉子磁路結構研究
表1 電機基本性能參數
表2 電機基本結構參數
2.1 磁障形狀的影響分析
以前述52 kW樣機為例，在電機定轉子直徑及其他結構參數不變的情況下，根據同步磁阻電機的設計方法，研究電機磁障結構參數對電機最大輸出轉矩能力的影響。在此基礎上，在磁障中插入永磁體，研究此時永磁電機的輸出轉矩能力，進而總結相應的優化設計規律。目前，國內的乘用車驅動電機的功率主要集中在50～150 kW之間，轉速集中在10 000～16 000 r/min之間，電機的定子外徑尺寸主要集中在180～220 mm之間。因此，磁障層數及結構參數是對磁阻轉矩比例影響較大的因素，但需要注意的是，改變電機磁障層數，電機的轉子機械結構強度也可能隨之改變。在實際電機設計過程中，需關注最高轉速下，電機強度是否滿足工作要求，因篇幅所限，本文不展示強度的校核計算結果。
結合同步磁阻電機的研究成果分析可知，對于中小型永磁磁阻電機，其轉子磁障層數為二層或三層較為合理。如果繼續增加磁障層數，一方面電機加工工藝難度增加；另一方面因磁路飽和程度加劇，磁體的利用率將下降，對電機輸出轉矩提升的輔助作用有限。如果減少為單層磁障，與普通永磁電機相似，很難大幅度提升電機的凸極性，進而較好地利用電機的磁阻轉矩。因此，本文以二層及三層磁障結構為例，對電機磁障結構開展分析研究，總結各結構參數對相同體積下，電機最大輸出轉矩能力的影響程度，進而得到相應的設計方法。
展開 混合式永磁同步電機轉子磁路結構研究
表1 電機基本性能參數
表2 電機基本結構參數
2.1 磁障形狀的影響分析
以前述52 kW樣機為例，在電機定轉子直徑及其他結構參數不變的情況下，根據同步磁阻電機的設計方法，研究電機磁障結構參數對電機最大輸出轉矩能力的影響。在此基礎上，在磁障中插入永磁體，研究此時永磁電機的輸出轉矩能力，進而總結相應的優化設計規律。目前，國內的乘用車驅動電機的功率主要集中在50～150 kW之間，轉速集中在10 000～16 000 r/min之間，電機的定子外徑尺寸主要集中在180～220 mm之間。因此，磁障層數及結構參數是對磁阻轉矩比例影響較大的因素，但需要注意的是，改變電機磁障層數，電機的轉子機械結構強度也可能隨之改變。在實際電機設計過程中，需關注最高轉速下，電機強度是否滿足工作要求，因篇幅所限，本文不展示強度的校核計算結果。
結合同步磁阻電機的研究成果分析可知，對于中小型永磁磁阻電機，其轉子磁障層數為二層或三層較為合理。如果繼續增加磁障層數，一方面電機加工工藝難度增加；另一方面因磁路飽和程度加劇，磁體的利用率將下降，對電機輸出轉矩提升的輔助作用有限。如果減少為單層磁障，與普通永磁電機相似，很難大幅度提升電機的凸極性，進而較好地利用電機的磁阻轉矩。因此，本文以二層及三層磁障結構為例，對電機磁障結構開展分析研究，總結各結構參數對相同體積下，電機最大輸出轉矩能力的影響程度，進而得到相應的設計方法。
展開 