電機優化的案例
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 變頻空調壓縮機電機的振動噪聲優化研究
但隨著市場競爭的加劇，在1～3 HP家用空調領域，分布式繞組變頻電機逐漸被集中式繞組電機取代，雖然集中式繞組電機較分布式繞組電機有更低的成本優勢和更高的性價比，但其噪聲問題較分布式變頻電機更為嚴重。隨著人們對家用電器噪聲舒適性的要求越來越高，變頻壓縮機電機的噪聲優化愈來愈受到重視[1]。
在噪聲改善上，得益于計算技術的發展，有限元+電機優化算法+多物理場耦合分析已廣泛應用于電機優化設計上[2-3]，但傳統拓撲結構的設計優化效果變得有限。另一方面，基于磁場調制原理的新結構電機成為近年研究熱點[4-7]，磁齒輪電機、永磁游標電機、無刷雙饋電機是新原理電機的典型代表，但上述研究的新結構目前主要應用于直線電機、風力發電機等，與空壓的傳統應用結構相結合的難度大。
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 獻給小孔妹妹之電機優化
獻給小孔妹妹之電機優化
Visteon_Bharadwaj[1].part1.rar
Visteon_Bharadwaj[1].part2.rar
永磁同步電機電磁振動噪聲自動優化
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人員的關注。如何快速定位噪聲源，優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、優化模塊等。能夠快速計算評估電機從0啟動至上萬轉轉速運行過程的振動噪聲狀態（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化。遺傳算法是一種搜索最優方案的算法，本文利用遺傳算法，實現電機的多參數優化電機電磁振動噪聲。
2 基于MANATEE的電機電磁振動噪聲優化
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
OP_InManatee_prob.m文件
在此文件中主要設置的參數為：初始種群數、進化迭代次數、目標函數文件等。
展開 永磁同步電機電磁振動噪聲自動優化
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人員的關注。如何快速定位噪聲源，優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、優化模塊等。能夠快速計算評估電機從0啟動至上萬轉轉速運行過程的振動噪聲狀態（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化。遺傳算法是一種搜索最優方案的算法，本文利用遺傳算法，實現電機的多參數優化電機電磁振動噪聲。
2 基于MANATEE的電機電磁振動噪聲優化
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
OP_InManatee_prob.m文件
在此文件中主要設置的參數為：初始種群數、進化迭代次數、目標函數文件等。
展開 純電動汽車電機嘯叫噪聲優化
圖11 右懸置支架上安裝動力吸振器電機8階噪聲結構優化方案總體如表1所示:
表1 電機結構優化方案
3.5 電機優化方案效果驗證
經整車試驗驗證，體現電機逆變器殼體三個優化方案及電機右懸置支架安裝動力吸振器后，車內電機8階噪聲在490Hz峰值較原狀態降低5dB（A），在580Hz峰值降低7dB（A），優化效果明顯，且電機8階噪聲水平基本在50dB（A）以下，主觀評價7分。
純電動汽車電機嘯叫噪聲優化
對于逆變器殼體490Hz共振問題，實施優化措施如下：殼體厚度由原來的3mm增加至4mm、殼體背面增加加強筋結構、逆變器殼體上表面粘貼阻尼片，具體措施如圖10所示。優化后，逆變器上殼體模態頻率由488Hz提升至613Hz。
圖10 逆變器殼體結構改進方案
對于右懸置支架580Hz強迫振動問題，實施優化措施如下：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如下：Z向固有頻率滿足580Hz±5%Hz，質量滿足200g±20g。
圖11 右懸置支架上安裝動力吸振器電機8階噪聲結構優化方案總體如表1所示:
表1 電機結構優化方案
3.5 電機優化方案效果驗證
經整車試驗驗證，體現電機逆變器殼體三個優化方案及電機右懸置支架安裝動力吸振器后，車內電機8階噪聲在490Hz峰值較原狀態降低5dB（A），在580Hz峰值降低7dB（A），優化效果明顯，且電機8階噪聲水平基本在50dB（A）以下，主觀評價7分。
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對于逆變器殼體490Hz共振問題，實施優化措施如下：殼體厚度由原來的3mm增加至4mm、殼體背面增加加強筋結構、逆變器殼體上表面粘貼阻尼片，具體措施如圖10所示。優化后，逆變器上殼體模態頻率由488Hz提升至613Hz。
圖10 逆變器殼體結構改進方案
對于右懸置支架580Hz強迫振動問題，實施優化措施如下：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如下：Z向固有頻率滿足580Hz±5%Hz，質量滿足200g±20g。
圖11 右懸置支架上安裝動力吸振器電機8階噪聲結構優化方案總體如表1所示:
表1 電機結構優化方案
3.5 電機優化方案效果驗證
經整車試驗驗證，體現電機逆變器殼體三個優化方案及電機右懸置支架安裝動力吸振器后，車內電機8階噪聲在490Hz峰值較原狀態降低5dB（A），在580Hz峰值降低7dB（A），優化效果明顯，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化
電機8階噪聲優化效果如圖12所示：
圖12 車內電機8階噪聲優化前后對比
4.電機8階噪聲主客觀對應分析
4.1主觀評價方法
主觀評價是評判電機嘯叫噪聲水平的重要依據，主觀評價依據主觀評價表對電機嘯叫噪聲性能水平進行等級劃分，主觀評價基準如表2所示：
表2 主觀評價基準
4.2主客觀對應分析
本文中某純電動汽車電機8階嘯叫噪聲優化過程采用主觀評價和客觀測試相結合的方法，最終達成優化目標，主觀評價及客觀測試對應關系如表3所示：
表3 電機8階噪聲主客觀對應
5.結論
（1）本文研究了某純電動汽車電機8階嘯叫噪聲，通過激勵源與傳遞路徑分析，驗證出空氣傳遞是車內電機8階噪聲的主要路徑；
（2）通過整車試驗和CAE仿真分析相結合，提出電機結構改進方案，優化效果明顯，電機8階噪聲水平由55dB（A）降為50dB（A）；
（3）進行了電機8階嘯叫噪聲主觀評價與客觀測試對應分析。本文介紹的電機8階嘯叫噪聲優化方法可應用于整車狀態下電機噪聲的開發和驗證工作。
展開 永磁同步電機電磁振動噪聲自動優化
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人員的關注。如何快速定位噪聲源，優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、優化模塊等。能夠快速計算評估電機從0啟動至上萬轉轉速運行過程的振動噪聲狀態（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化。遺傳算法是一種搜索最優方案的算法，本文利用遺傳算法，實現電機的多參數優化電機電磁振動噪聲。
2 基于MANATEE的電機電磁振動噪聲優化
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
OP_InManatee_prob.m文件
在此文件中主要設置的參數為：初始種群數、進化迭代次數、目標函數文件等。
展開 
純電動汽車電機嘯叫噪聲優化
圖11 右懸置支架上安裝動力吸振器電機8階噪聲結構優化方案總體如表1所示:
表1 電機結構優化方案
3.5 電機優化方案效果驗證
經整車試驗驗證，體現電機逆變器殼體三個優化方案及電機右懸置支架安裝動力吸振器后，車內電機8階噪聲在490Hz峰值較原狀態降低5dB（A），在580Hz峰值降低7dB（A），優化效果明顯，且電機8階噪聲水平基本在50dB（A）以下，主觀評價7分。
新能源電機系統性能匹配優化研究
首先需要根據整車的基本性能指標計算輸出對應的電機系統的轉速、轉矩及功率參數；然后在整車仿真平臺下基本不同的工況路譜進行動力性能核算以及經濟性能初步仿真，同時輸出對應的電機系統數據用于下一步的理論計算。
基于仿真計算輸出的數據進行電機系統工作點能耗排序，輸出泡泡圖，提供電機系統優化的方向，針對常用工作區間重點優化；對標不同的優化方案所帶來的效果時，通過對標相同工況下、不同的電機系統工作模式下的平均效率，另一方面通過計算對標效率MAP差值，從而最終判斷優化方案是否可行。
圖5 電機系統開發流程圖
電機系統的開發是一個持續優化的過程。要縮短開發周期，就需要我們在設計開發的初期將各項工作盡量做細，想方設法進行深層次的數據挖掘探究，往往可以達到事半功倍的效果。
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展開 基于OptiStruct的電機機座尺寸優化
電機的機座是電機整體上最重要的結構部件，它起著支撐、保護、作為通風結構等多種作用。現在國內各電機制造廠在電機的機座設計時一般都是參考已有產品結構進行變形設計。這種方法雖然方便但不夠精確，不能最好的利用有效材料，可能會造成部分結構應力集中，影響電機使用壽命等不良后果。本文將圍繞電機機座進行尺寸優化，在滿足功能目標的前提下實現結構最優、重量最輕。
電機機座由機座本體、定子、轉子、軸、端蓋、軸承等組成，其幾何模型如圖1所示：
圖1 電機機座幾何模型
考慮到幾何模型中的定子和轉子結構較復雜，因此，對電機機座模型進行簡化，保留機座、軸、前后端蓋、內部肋板等，有限元模型如圖2所示，網格大小為8.0mm，網絡類型為六面體。
圖2 電機機座有限元模型
邊界條件為電機機座底部4個孔固定約束。
電機機座模態分析加載定子、轉子、風機和接線盒質量。
電機機座靜強度分析載荷為定子、轉子、軸、前后端蓋、風機和接線盒質量（為后續尺寸優化做準備）。
電機機座前四階模態如圖3所示：
圖3 電機機座前4階模態
由圖3可以看出，電機機座一階模態為78.1Hz,遠遠的避開了電機電源的激勵頻率50Hz，因此，一階模態存在很大的優化空間。
電機機座的靜剛度及強度結果如圖4所示：
圖4 電機機座靜剛度及強度
由圖4可以看出，機座的最大位移=0.078mm，最大應力為32.6MPa，遠遠低于材料屈服強度，因此，電機機座靜剛度及強度存在很大的優化空間。
展開 2025大賽優秀作品 | 研發仿真數智轉型：電機數智仿真優化平臺
作品名稱：研發仿真數智轉型：電機數智仿真優化平臺
作者： 舒圣浪 | 美的集團 電磁研究高級工程師
關鍵詞：智能尋優，機器學習，流程自動化，電機
作者說
設計特征可靈活退化與布爾衍生拓展是AEDT全參數化模型庫（UDP）的一大特色，其優秀的可移植性利于研發協同；完整的二次開發腳本幫助文檔與PyAEDT庫可顯著提高定制開發效率；在高性能計算HPC方面，RSM與LSDSO在不同場景下的針對性應用亦可顯著提高計算效率。
本應用案例聚焦于研發仿真數智轉型建設，以電機數智仿真優化平臺為例，闡述美的在仿真數智轉型上的一些思考和嘗試，供行業參考。平臺從滿足研發組織多職群、產品設計多階段的仿真需求出發，開發了適用于0-1研發（EMotor）、1-N研發（ProSim）的專用仿真App。
EMotor平臺為基于技術指標需求的多工況多目標一鍵自動化式設計優化平臺，融合了全參數化建模、前后處理、繞組設計與集總參數計算、專家設計流程策略、智能尋優與機器學習、方案綜合評價等功能，具備良好的可拓展性、計算穩健性，可滿足0-1研發對高效高精度概念設計與詳細設計的需求。
ProSim平臺為基于仿真任務的通用型流程自動化仿真平臺，聚焦仿真流程全鏈路自動化，具有完備的定制化仿真任務（單電機仿真、電機+電控系統仿真）功能，以滿足1-N研發對成熟平臺拓展、競品分析、創新性方案驗證、跨學科聯合仿真等高效高精度仿真需求。
挑戰/需求
研發效率提升、產品突破創新是研發組織兩大核心課題，融合 “行業應用場景+專家經驗+智能優化算法+機器學習”的新電磁設計技術可潛在實現研發增效降本、提升產品競爭力。
展開 