電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的案例
PIDO智能仿真 | 基于Ansys Motor-CAD與optiSLang的電機(jī)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種應(yīng)用領(lǐng)域都對(duì)電機(jī)性能指標(biāo)提出越來(lái)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(jī)設(shè)計(jì)必須兼顧電磁性能、溫升性能以及機(jī)械設(shè)計(jì)方面等多物理場(chǎng)性能，同時(shí)還要考慮電機(jī)的成本、研發(fā)周期等因素，如何在最短的時(shí)間內(nèi)將一款高性能、低成本的電機(jī)產(chǎn)品推向市場(chǎng)是目前各大電機(jī)廠商面對(duì)的課題。
現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的多學(xué)科、強(qiáng)耦合、多變量、非線性的問(wèn)題，其中多學(xué)科分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)扮演了非常重要的角色。電機(jī)設(shè)計(jì)工作的特殊性要求設(shè)計(jì)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(jī)全運(yùn)行工況范圍內(nèi)，需要實(shí)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(jī)機(jī)械強(qiáng)度的分析需要在電磁設(shè)計(jì)階段同時(shí)進(jìn)行，以減少設(shè)計(jì)迭代。
將同時(shí)具有以上特征的設(shè)計(jì)工具與優(yōu)化工具相結(jié)合，工程師便可以兼顧電磁、熱、機(jī)械性能，在電機(jī)設(shè)計(jì)初期獲得較好的設(shè)計(jì)方案，為后面的精確分析與優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。Ansys Motor-CAD是目前全球范圍內(nèi)唯一包含電磁、熱、機(jī)械的專業(yè)電機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)工具，它同時(shí)兼顧了計(jì)算速度與精度，可在最短時(shí)間內(nèi)完成電機(jī)初始方案設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合強(qiáng)大的Ansys optiSLang優(yōu)化工具，從而使電機(jī)工程師在設(shè)計(jì)初期對(duì)電磁、熱、機(jī)械性能進(jìn)行快速綜合優(yōu)化的夢(mèng)想變?yōu)榭赡堋?/span>
展開 基于 Ansys Motor-CAD 與 optiSLang 的電機(jī)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)（上）
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作者：Ansys 中國(guó) 王楊
編者按
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種應(yīng)用領(lǐng)域都對(duì)電機(jī)性能指標(biāo)提出越來(lái)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(jī)設(shè)計(jì)必須兼顧電磁性能、溫升性能以及機(jī)械設(shè)計(jì)方面等多物理場(chǎng)性能，同時(shí)還要考慮電機(jī)的成本、研發(fā)周期等因素，如何在最短的時(shí)間內(nèi)將一款高性能、低成本的電機(jī)產(chǎn)品推向市場(chǎng)是目前各大電機(jī)廠商面對(duì)的課題。
Ansys Motor-CAD 電機(jī)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)
現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)
現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的多學(xué)科、強(qiáng)耦合、多變量、非線性的問(wèn)題，其中多學(xué)科分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)扮演了非常重要的角色。電機(jī)設(shè)計(jì)工作的特殊性要求設(shè)計(jì)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(jī)全運(yùn)行工況范圍內(nèi)，需要實(shí)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(jī)機(jī)械強(qiáng)度的分析需要在電磁設(shè)計(jì)階段同時(shí)進(jìn)行，以減少設(shè)計(jì)迭代。
將同時(shí)具有以上特征的設(shè)計(jì)工具與優(yōu)化工具相結(jié)合，工程師便可以兼顧電磁、熱、機(jī)械性能，在電機(jī)設(shè)計(jì)初期獲得較好的設(shè)計(jì)方案，為后面的精確分析與優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。Ansys Motor-CAD 是目前全球范圍內(nèi)唯一包含電磁、熱、機(jī)械的專業(yè)電機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)工具，它同時(shí)兼顧了計(jì)算速度與精度，可在最短時(shí)間內(nèi)完成電機(jī)初始方案設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合強(qiáng)大的 Ansys optiSLang 優(yōu)化工具，從而使電機(jī)工程師在設(shè)計(jì)初期對(duì)電磁、熱、機(jī)械性能進(jìn)行快速綜合優(yōu)化的夢(mèng)想變?yōu)榭赡堋?/span>
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MOP 和有限元驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比
優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案
通過(guò)本文的例子我們可以看到，將強(qiáng)大的 Ansys Motor-CAD 與 optiSLang 相結(jié)合則如虎添翼，收獲超強(qiáng)電機(jī)設(shè)計(jì)工具，這種效應(yīng)是 1+1 大于 2 的，利用這個(gè)工具，電機(jī)工程師不僅能解決電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，也可以進(jìn)行電機(jī)各種設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)與性能指標(biāo)之間的相關(guān)性，這在電機(jī)概念設(shè)計(jì)階是非常有意義的。
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展開 變頻空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)的振動(dòng)噪聲優(yōu)化研究
但隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，在1～3 HP家用空調(diào)領(lǐng)域，分布式繞組變頻電機(jī)逐漸被集中式繞組電機(jī)取代，雖然集中式繞組電機(jī)較分布式繞組電機(jī)有更低的成本優(yōu)勢(shì)和更高的性價(jià)比，但其噪聲問(wèn)題較分布式變頻電機(jī)更為嚴(yán)重。隨著人們對(duì)家用電器噪聲舒適性的要求越來(lái)越高，變頻壓縮機(jī)電機(jī)的噪聲優(yōu)化愈來(lái)愈受到重視[1]。
在噪聲改善上，得益于計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，有限元+電機(jī)優(yōu)化算法+多物理場(chǎng)耦合分析已廣泛應(yīng)用于電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)上[2-3]，但傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化效果變得有限。另一方面，基于磁場(chǎng)調(diào)制原理的新結(jié)構(gòu)電機(jī)成為近年研究熱點(diǎn)[4-7]，磁齒輪電機(jī)、永磁游標(biāo)電機(jī)、無(wú)刷雙饋電機(jī)是新原理電機(jī)的典型代表，但上述研究的新結(jié)構(gòu)目前主要應(yīng)用于直線電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等，與空壓的傳統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)相結(jié)合的難度大。
展開 
案例分享 | 使用基于MOP的帕累托優(yōu)化開展多標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)設(shè)計(jì)
上期PIDO智能仿真專題中，由Ansys中國(guó)高級(jí)應(yīng)用工程師王楊帶來(lái) 基于Ansys Motor-CAD與optiSLang的電機(jī)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì) 介紹。本期案例分享將詳細(xì)介紹Motor Design公司工程師如何將Motor-CAD與optiSLang相結(jié)合，利用多物理場(chǎng)仿真技術(shù)對(duì)EV應(yīng)用的電機(jī)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的探索。
Motor Design（MDL）公司總部位于英國(guó)雷克瑟姆，其電機(jī)設(shè)計(jì)專家團(tuán)隊(duì)開發(fā)的Motor-CAD軟件由高效的電機(jī)建模和仿真工具構(gòu)成，能夠全面展示電機(jī)的電磁屬性、熱屬性以及機(jī)械屬性。該軟件的Motor-CAD Lab組件能從所有的多物理場(chǎng)子模型獲取數(shù)據(jù)并以針對(duì)關(guān)鍵電機(jī)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(chǔ)，在幾分鐘內(nèi)生成整個(gè)性能map圖。
由創(chuàng)始人Dave Staton和開發(fā)總監(jiān)JamesGoss領(lǐng)導(dǎo)的MDL團(tuán)隊(duì)，在學(xué)術(shù)界和業(yè)界積累了數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)工具Ansys optiSLang的引入如何得以從一開始就對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)的方法產(chǎn)生影響，是件值得思考的事情。一般情況下，我們首先會(huì)根據(jù)簡(jiǎn)單的初步計(jì)算做出一些基礎(chǔ)的設(shè)置決定，如電機(jī)軸向長(zhǎng)度、極數(shù)、槽數(shù)、繞組匝數(shù)。只有在確定了這個(gè)框架之后，算法優(yōu)化才會(huì)在下游得到進(jìn)一步應(yīng)用。顯然，在初步框架階段采取的次優(yōu)決策可能會(huì)使整個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)流程走上錯(cuò)誤的軌道。憑借其自動(dòng)化功能和敏感度分析功能，Ansys optiSLang從整個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)流程的一開始就很大程度地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)化和客觀化。
展開 “神工坊”團(tuán)隊(duì)榮獲2022年度中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)
近日，2022年度中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)揭曉，“神工坊”團(tuán)隊(duì)參與申報(bào)的“電機(jī)先進(jìn)分析設(shè)計(jì)方法、仿真平臺(tái)開發(fā)及應(yīng)用”項(xiàng)目榮膺2022年度中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)是2001年經(jīng)國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)主管部門批準(zhǔn)設(shè)立的首批社會(huì)力量設(shè)獎(jiǎng)，以獎(jiǎng)勵(lì)在電氣工程領(lǐng)域科技進(jìn)步中作出突出貢獻(xiàn)的單位和個(gè)人。多年來(lái)，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)得到廣大科技工作者的熱切關(guān)注和大力支持，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)知名獎(jiǎng)項(xiàng)。
“電機(jī)先進(jìn)分析設(shè)計(jì)方法、仿真平臺(tái)開發(fā)及應(yīng)用”項(xiàng)目由哈爾濱工業(yè)大學(xué)牽頭，“神工坊”團(tuán)隊(duì)深度參與，針對(duì)電機(jī)優(yōu)化平臺(tái)計(jì)算和服務(wù)需求，通過(guò)研發(fā)國(guó)產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”工程計(jì)算共性支撐技術(shù)，對(duì)國(guó)產(chǎn)超算上自主高性能計(jì)算支撐環(huán)境進(jìn)行了完善升級(jí)。例如，神工坊團(tuán)隊(duì)開發(fā)的非結(jié)構(gòu)加速套件UNAT（點(diǎn)擊了解詳情）能夠克服國(guó)產(chǎn)超算“編程墻”，大幅提升復(fù)雜電機(jī)系統(tǒng)研發(fā)效率。
最終，本項(xiàng)目通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)同攻關(guān)和自主創(chuàng)新，在電機(jī)的先進(jìn)分析設(shè)計(jì)方法、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用方面取得了多項(xiàng)重大突破，研發(fā)了國(guó)際首個(gè)基于超級(jí)計(jì)算機(jī)的電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電磁-熱、熱-應(yīng)力等物理場(chǎng)強(qiáng)耦合分析，開發(fā)100多種通用和專用電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真APP。相關(guān)技術(shù)在大型發(fā)電設(shè)備、新能源汽車、綠色家電、工業(yè)伺服等行業(yè)取得廣泛應(yīng)用，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
不僅是電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真，隨著工業(yè)4.0的到來(lái)，仿真成為工業(yè)數(shù)字化的重要引擎。為了推進(jìn)工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施國(guó)產(chǎn)化，助力制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心基于超級(jí)計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大算力，推出“神工坊”高性能工業(yè)仿真平臺(tái)（點(diǎn)擊查看詳情）。
展開 【設(shè)計(jì)】混合式磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電動(dòng)車用永磁磁阻電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)
相比于普通工業(yè)用電機(jī)，電動(dòng)車用電機(jī)有著以下特性需求：高功率和轉(zhuǎn)矩密度；較寬的調(diào)速范圍；起動(dòng)時(shí)能夠輸出較大轉(zhuǎn)矩；高可靠性和魯棒性；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和振動(dòng)噪聲小；成本低等。稀土永磁同步電機(jī)滿足了以上大部分的需求。但近年來(lái)我國(guó)稀土產(chǎn)量和出口量不斷下滑，需求量隨著新能源汽車發(fā)展而不斷攀升，導(dǎo)致稀土材料價(jià)格水漲船高，稀土永磁電機(jī)的成本不斷提升。因此，設(shè)計(jì)少稀土永磁電機(jī)成為當(dāng)今電機(jī)設(shè)計(jì)中的熱門課題。國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者開始重點(diǎn)關(guān)注永磁磁阻電機(jī)、同步磁阻電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)這類少稀土和無(wú)稀土永磁電機(jī)。
開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、調(diào)速范圍廣、容錯(cuò)能力強(qiáng)和低成本的優(yōu)勢(shì)，使其理論上非常適用于電動(dòng)汽車。但在目前實(shí)際電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)用卻較少，這與其本身固有的一些缺陷有關(guān)：開關(guān)磁阻電機(jī)在換相過(guò)程中，繞組電流急劇變化，會(huì)引起較大的振動(dòng)噪聲；轉(zhuǎn)矩密度和功率因數(shù)較低，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。雖然電機(jī)本體成本低廉，但開關(guān)磁阻電機(jī)需用到特殊的功率變換裝置，使其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)成本偏高。
同步磁阻電機(jī)因其調(diào)速范圍廣、加工簡(jiǎn)單、成本低廉近年來(lái)備受學(xué)者關(guān)注。
展開 新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH設(shè)計(jì)與優(yōu)化
1 引言
在追求電機(jī)更優(yōu)性能的目標(biāo)時(shí)，提高功率密度一直是電機(jī)工程師重要工作之一。電機(jī)功率密度越高，意味著電機(jī)在同等重量下發(fā)揮更大的功率和扭矩輸出。
近年來(lái)，隨著新能源車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的推廣與應(yīng)用，電機(jī)的NVH越來(lái)越受到消費(fèi)者關(guān)注，電機(jī)NVH水平逐漸成為評(píng)價(jià)一個(gè)電機(jī)性能重要指標(biāo)。研究表明，電機(jī)NVH表現(xiàn)與電機(jī)輸出功率和扭矩有直接關(guān)系。同一款電機(jī)，電機(jī)輸出功率越小，電機(jī)的NVH表現(xiàn)越好。
對(duì)于同一款電機(jī)，其動(dòng)力性與NVH表現(xiàn)越來(lái)越成為一個(gè)矛盾點(diǎn)。尋找最佳平衡點(diǎn)，使得電機(jī)綜合性能最優(yōu)，越來(lái)越成為電機(jī)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。
2 電機(jī)氣隙對(duì)電機(jī)性能和NVH的影響
為提高電機(jī)功率密度，在滿足加工精度、產(chǎn)品強(qiáng)度等設(shè)計(jì)要求的前提下，電機(jī)工程師偏向于設(shè)計(jì)更小的氣隙，。這主要是因?yàn)椋S著電機(jī)氣隙增大，帶來(lái)兩方面的影響：（1）氣隙增加，空氣磁導(dǎo)率低，磁路磁阻增大，磁力線通過(guò)能力減弱；（2）在切向結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)軸側(cè)永磁體端部存在較大漏磁，氣隙長(zhǎng)度增加，漏磁也增加。以上兩方面均會(huì)帶來(lái)電機(jī)性能的下降，即電機(jī)功率密度的降低。
然而小氣隙電機(jī)帶來(lái)了更明顯的電磁噪音，這主要是因?yàn)?em>電機(jī)工作過(guò)程中，通過(guò)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。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(dòng)而輻射噪音。通過(guò)增大氣隙，可減小氣隙磁場(chǎng)諧波分量，降低徑向力諧波，從而實(shí)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(guān)重要。本文通過(guò)有限元法，仿真分析了兩種氣隙下電機(jī)性能和NVH表現(xiàn)，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
3 設(shè)計(jì)方案介紹
本文以某款永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象，電機(jī)為強(qiáng)制水冷，內(nèi)轉(zhuǎn)子，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為12000rpm，電機(jī)殼體為鋁合金材料。
展開 Motor-CAD— 新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)快速設(shè)計(jì)與優(yōu)化工具
Motor-CAD作為一款專業(yè)的電機(jī)設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具，有著豐富的專業(yè)的電機(jī)模型庫(kù)，能夠輔助工程師實(shí)現(xiàn)電機(jī)快速參數(shù)化設(shè)計(jì)、多場(chǎng)耦合仿真性能評(píng)估與設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化。同時(shí)，Motor-CAD集成在ANSYS產(chǎn)品體系解決方案中，與單學(xué)科專業(yè)CAE工具、機(jī)電控系統(tǒng)仿真工具（Twin Builder）等具有便捷的交互接口，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)及相關(guān)產(chǎn)品全研發(fā)周期的性能評(píng)估和優(yōu)化，幫助用戶更好地應(yīng)對(duì)現(xiàn)代電機(jī)研發(fā)高效率、寬轉(zhuǎn)速范圍、高功率密度、低噪聲、低成本等的挑戰(zhàn)。
主要功能模塊及特點(diǎn)
軟件共有電磁（EMag）、熱（Therm）、機(jī)械（Mech)、優(yōu)化（Opt）和虛擬實(shí)驗(yàn)室（Lab）五個(gè)模塊，結(jié)合專業(yè)的前后處理功能及高效算法，可實(shí)現(xiàn)磁熱雙向耦合等分析優(yōu)化。涵蓋電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、循環(huán)工況效率與損耗優(yōu)化等工程問(wèn)題的解決方案，是傳統(tǒng)CAE仿真求解器數(shù)倍以上效率，更適合設(shè)計(jì)工程師。
展開 一文了解基于Motor-CAD的電機(jī)快速多學(xué)科設(shè)計(jì)與優(yōu)化
01基于模板的電機(jī)快速設(shè)計(jì)
Motor-CAD可應(yīng)用于各種類型的永磁、磁阻、感應(yīng)電機(jī)的快速電磁、熱綜合設(shè)計(jì)，包括：
永磁同步電機(jī)
無(wú)刷直流電機(jī)
單/三相感應(yīng)電機(jī)
同步磁阻電機(jī)
開關(guān)磁阻電機(jī)
電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)
永磁直流電機(jī)
爪極電機(jī)
直流有刷電機(jī)
02電機(jī)全運(yùn)行范圍性能快速計(jì)算
Motor-CAD Lab 使工程師可以快速地創(chuàng)建效率map圖，繪制扭矩/速度特性，研究連續(xù)和峰值熱約束運(yùn)行包絡(luò)，并分析驅(qū)動(dòng)周期循環(huán)性能。
效率和損耗map圖
峰值轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線
連續(xù)轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線
開路和短路試驗(yàn)
DQ 電感曲線計(jì)算
多工況銅損、鐵損、永磁體渦流損耗計(jì)算
03電機(jī)多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)
利用Motor-CAD與optiSLang之間的接口可以方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)多學(xué)科、多工況、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
電機(jī)效率與成本優(yōu)化
電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)矩密度/功率密度優(yōu)化
電機(jī)散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化
電機(jī)轉(zhuǎn)子減重與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化
電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化
電機(jī)峰值扭矩/峰值功率優(yōu)化
基于Motor-CAD的電機(jī)快速多學(xué)科設(shè)計(jì)與優(yōu)化能實(shí)現(xiàn)什么？
Ansys Motor-CAD是目前全球范圍內(nèi)唯一包含電磁、熱、機(jī)械的專業(yè)電機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)工具，它同時(shí)兼顧了計(jì)算速度與精度，可在最短時(shí)間內(nèi)完成電機(jī)初始方案設(shè)計(jì)，結(jié)合強(qiáng)大的Ansys optiSLang優(yōu)化工具，使得電機(jī)工程師在設(shè)計(jì)初期對(duì)電磁、熱、機(jī)械性能進(jìn)行快速綜合優(yōu)化的夢(mèng)想成為可能。
展開 案例分享 | 使用基于MOP的帕累托優(yōu)化開展多標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)設(shè)計(jì)
Motor Design（MDL）公司總部位于英國(guó)雷克瑟姆，其電機(jī)設(shè)計(jì)專家團(tuán)隊(duì)開發(fā)的Motor-CAD軟件由高效的電機(jī)建模和仿真工具構(gòu)成，能夠全面展示電機(jī)的電磁屬性、熱屬性以及機(jī)械屬性。該軟件的Motor-CAD Lab組件能從所有的多物理場(chǎng)子模型獲取數(shù)據(jù)并以針對(duì)關(guān)鍵電機(jī)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(chǔ)，在幾分鐘內(nèi)生成整個(gè)性能map圖。
由創(chuàng)始人Dave Staton和開發(fā)總監(jiān)JamesGoss領(lǐng)導(dǎo)的MDL團(tuán)隊(duì)，在學(xué)術(shù)界和業(yè)界積累了數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)工具Ansys optiSLang的引入如何得以從一開始就對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)的方法產(chǎn)生影響，是件值得思考的事情。一般情況下，我們首先會(huì)根據(jù)簡(jiǎn)單的初步計(jì)算做出一些基礎(chǔ)的設(shè)置決定，如電機(jī)軸向長(zhǎng)度、極數(shù)、槽數(shù)、繞組匝數(shù)。只有在確定了這個(gè)框架之后，算法優(yōu)化才會(huì)在下游得到進(jìn)一步應(yīng)用。顯然，在初步框架階段采取的次優(yōu)決策可能會(huì)使整個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)流程走上錯(cuò)誤的軌道。憑借其自動(dòng)化功能和敏感度分析功能，Ansys optiSLang從整個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)流程的一開始就很大程度地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)化和客觀化。
本案例概述了當(dāng)前用于插電式混合動(dòng)力汽車的永磁同步電機(jī)的緊湊設(shè)計(jì)流程發(fā)展?fàn)顩r，并展示了如何運(yùn)用自動(dòng)化分步模型構(gòu)建和基于MOP的帕累托優(yōu)化來(lái)確保對(duì)可用設(shè)計(jì)空間進(jìn)行真正的廣泛探索，即避免過(guò)早收窄框架選擇范圍。
電機(jī)模型
所選擇的電機(jī)類型和拓?fù)涫怯来磐?em>電機(jī)。轉(zhuǎn)子中嵌入的磁鐵以V型排列形成磁極。這是一種著名的設(shè)計(jì)，它是由豐田為第一代普銳斯發(fā)明的。
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IPM電機(jī)隔磁橋電磁&結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)
隨著驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率密度的不斷提升，對(duì)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速也提出了更高的要求。在IPM電機(jī)中，轉(zhuǎn)子隔磁橋需要承受更大的離心應(yīng)力，同時(shí)還必須確保足夠的隔磁性能。為了有效分散轉(zhuǎn)子應(yīng)力，磁極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得愈發(fā)復(fù)雜，雙層甚至多層永磁體的設(shè)計(jì)變得非常普遍。這使得隔磁橋和孔的幾何設(shè)計(jì)具有更高的自由度和復(fù)雜性。
因此，如何在隔磁橋的尺寸設(shè)計(jì)中兼顧電磁性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，成為一個(gè)典型的多物理場(chǎng)權(quán)衡設(shè)計(jì)問(wèn)題。然而，僅憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)滿足所有設(shè)計(jì)任務(wù)要求的轉(zhuǎn)子隔磁橋尺寸非常具有挑戰(zhàn)性。
在這個(gè)案例中，我們將展示如何利用Maxwell UDP（參數(shù)化轉(zhuǎn)子幾何），結(jié)合Ansys Maxwell、Mechanical和optiSLang，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)IPM轉(zhuǎn)子隔磁橋進(jìn)行多物理、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。這樣的綜合優(yōu)化方法將有助于找到最佳設(shè)計(jì)方案，既能提高電機(jī)性能，又能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。
展開 Moldex3D模流分析之建準(zhǔn)電機(jī)應(yīng)用Moldex3D優(yōu)化熱流道設(shè)計(jì)
圖三 各階段流動(dòng)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(jù)上述分析結(jié)果，建準(zhǔn)電機(jī)將熱澆道做局部優(yōu)化，針對(duì)熱流板、加熱線圈以及流道轉(zhuǎn)角進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，結(jié)果如圖五所示。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的分析結(jié)果如圖6所示，熱流道內(nèi)部，箭頭標(biāo)示位置，已經(jīng)沒(méi)有溫度過(guò)低趨勢(shì)，而熱流道外部也有相同結(jié)果。
圖五 熱澆道之原始設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)變更比較
圖六 優(yōu)化后之塑料流動(dòng)波前溫度分析：(a) 熱流道內(nèi)部 ，(b) 熱流道外部 (時(shí)間:EOF)
實(shí)際試模結(jié)果如圖七、圖八，結(jié)果顯示建準(zhǔn)電機(jī)將熱澆道做局部優(yōu)化后，產(chǎn)品射出時(shí)不合理壓力過(guò)高情況已經(jīng)獲得改善。
圖七 現(xiàn)場(chǎng)壓力響應(yīng)圖比較(熱澆道及噴嘴損失壓力)
圖八 現(xiàn)場(chǎng)壓力響應(yīng)圖比較(產(chǎn)品射出)
結(jié)果
建準(zhǔn)電機(jī)藉由Moldex3D進(jìn)階熱流道模塊分析發(fā)現(xiàn)冷料位置，確實(shí)找出射出不穩(wěn)定與壓力異常原因。利用軟件分析之冷料位置進(jìn)行設(shè)計(jì)變更優(yōu)化，內(nèi)容包含流道設(shè)計(jì)與熱澆道加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。結(jié)果顯示，優(yōu)化后熱澆道壓力下降達(dá)50%，且呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，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(shí)際的內(nèi)部看不到情況是相符的。利用Moldex3D 可讓非熱流道設(shè)計(jì)廠商也能夠參與或擁有熱流道設(shè)計(jì)概念，提升模具與產(chǎn)品生產(chǎn)能力。
展開 行業(yè)應(yīng)用方案 | 基于Motor-CAD的電機(jī)快速多學(xué)科設(shè)計(jì)與優(yōu)化
效率和損耗map圖
峰值轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線
連續(xù)轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線
開路和短路試驗(yàn)
DQ 電感曲線計(jì)算
多工況銅損、鐵損、永磁體渦流損耗計(jì)算
03、電機(jī)多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)
利用Motor-CAD與optiSLang之間的接口可以方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)多學(xué)科、多工況、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
電機(jī)效率與成本優(yōu)化
電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)矩密度/功率密度優(yōu)化
電機(jī)散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化
電機(jī)轉(zhuǎn)子減重與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化
電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化
電機(jī)峰值扭矩/峰值功率優(yōu)化
基于Motor-CAD的電機(jī)快速多學(xué)科設(shè)計(jì)與優(yōu)化
Ansys Motor-CAD是目前全球范圍內(nèi)唯一包含電磁、熱、機(jī)械的專業(yè)電機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)工具，它同時(shí)兼顧了計(jì)算速度與精度，可在最短時(shí)間內(nèi)完成電機(jī)初始方案設(shè)計(jì)，結(jié)合強(qiáng)大的Ansys optiSLang優(yōu)化工具，使得電機(jī)工程師在設(shè)計(jì)初期對(duì)電磁、熱、機(jī)械性能進(jìn)行快速綜合優(yōu)化的夢(mèng)想成為可能。
展開 一種電機(jī)軸螺桿加工專用的數(shù)控銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
基于其實(shí)際工況進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析，綜合考慮各階模態(tài)重要程度，初定設(shè)計(jì)變量的尺寸變化范圍，采用 Box?Behnken 試驗(yàn)法和靈敏度分析確定各設(shè)計(jì)變量對(duì)輸出參數(shù)（質(zhì)量、位移、固有頻率）的影響程度，選出靈敏度較高的設(shè)計(jì)參數(shù)，建立響應(yīng)曲面模型。以質(zhì)量最小、位移最小、固有頻率最高為目標(biāo)函數(shù)，采用篩選法進(jìn)行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析圖如圖1示。
圖1 床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析圖
2、結(jié)語(yǔ)
課題組提出了螺桿專用的數(shù)控銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及其配套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)集成型旋銑機(jī)床全自動(dòng)加工的決定因素，其設(shè)計(jì)的合理性將直接影響旋銑裝備的加工性能、生產(chǎn)效率和加工精度，是解決現(xiàn)有電機(jī)軸螺桿旋銑設(shè) 備生產(chǎn)工藝周期長(zhǎng)、加工穩(wěn)定性差、集成度低等問(wèn)題的關(guān)鍵。課題組開發(fā)了一種新的連續(xù)送料自動(dòng)加工工藝，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了與工藝策略高度匹配的關(guān)鍵功能結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸螺桿的全自動(dòng)化加工，有望縮短工藝生產(chǎn)周期，提升生產(chǎn)效率，且整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定緊湊、占地面積小、集成度高。
來(lái)源：
作者：陳聰1 ，王貽誠(chéng)3 ，鄭雪飛1 ，邵思程2 ，陳建新1 ，王勝2 ，朱勤1
（1. 浙江赫科智能裝備有限公司2. 衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 3. 衢州賦騰科技有限公司）
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