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2 基于Ansoft Maxwell的有限元分析2.1 有限元仿真模型的建立永磁直流空心杯電機具有系統多變量、非線性及較強的耦合性的特點，故文中簡化了不必要的分析計算過程，對電機系統作出如下假設條件[3]:(1)不計電機中的渦流效應與磁滯效應。(2)忽略空間諧波對電機磁場的影響。(3)電機所采用的材料均為各向同性。

但是數值解析法在耦合建模和求解仍存在較多問題，由于假設條件和忽略因素過多，導致計算精度不夠。 在有限元分析方面，眾多 CAD /CAE 軟件公司，如 Ansys、Flux、SIMULIA、UGS 等開發多物理場耦合計算工具，已應用于航空聲學、磁流體力學、動態流固耦合等領域，電磁計算的精度和效率逐步提高。

Motor-CAD結合了磁路法與電磁場有限元法，兼顧了理論深度與計算精度，豐富的結果后處理幫助用戶深入、全面的分析和理解電機各種電磁性能參數 Motor-CAD集成的熱分析模塊實現了電機電磁-熱雙向快速耦合分析，其內置20 年積累的豐富電磁熱計算經驗數據為計算精度提供了有力保證 Motor-CAD與optiSLang之間可以借助于集成的向導插件或Python腳本進行耦合，實現電機多學科

圖4 Maxwell 2D分析流程圖 導入模型以后，為了精確分析定子齒部的徑向電磁力，并將力密度的分布耦合到后續的諧響應分析中。 需要將定子齒部“分割”出來，并施加更細密的網格剖分。

其電機專屬的多物理場協同設計能力（電磁、熱、結構、效率一體化）、豐富的電機拓撲模板（如永磁同步電機、異步電機）及高效的參數化建模功能，使其成為汽車驅動電機正向開發的核心工具，能夠精準模擬電機額定工況下的銅損鐵損、瞬態過載的溫度場分布、全轉速區間的效率 MAP 圖、以及結構振動噪聲（NVH）特性等關鍵性能指標。

聯合傳動系統軟件Romax，完成電機及傳動機構的各自潤滑冷卻系統的解耦設計，并進行電驅動潤滑冷卻系統損耗和溫升特性等指標仿真模擬。 耦合各專業三維有限元分析軟件，實現電驅動潤滑冷卻方案的精細化評估。無縫集成電磁模塊Maxwell、熱模塊AEDT Thermal，流體模塊Fluent，進一步實現電機冷卻系統的溫度場三維仿真和精確量化。 基于臺架測試數據，對上述模型精度進行評估和標定。

包括YKK空空冷，YKS空水冷，TEFC封閉式, ODP開啟式，大中型發電機，空調室內機與新風系統用的貫流風機Blower，風壓-風量PQ，效率曲線，永磁同步水冷（電動汽車用）水道，外部軸流，流固，熱固耦合。應用Ansys Fluent計算定子，轉子，繞組溫升。

電機溫度場分析電磁熱耦合分析流程風冷分析案例電磁損耗的耦合Fluent流體仿真結果永磁電機定子水冷仿真三相感應電機液冷仿真三相感應電機噴油及液冷仿真考慮磁鋼溫度特性的電機特性仿真電機設計優化參數化建模

同樣的道理，在電機行業的工業品仿真計算過程中，我們也可以采用這種完全的順序單向耦合計算來描述多物理場共同作用的仿真場景，首先通過Maxwell軟件計算得到電機各個部件的損耗（發熱）結果，隨后將該發熱功率以一種能量源項的方式加載到Fluent中，再計算得到準確的溫度分布結果，最后和上面電子設備計算的場景類似，可以通過Mechanical軟件計算得到電機熱應力與變形的情況。

該電磁閥模型采用ANSYS Maxwell電磁場分析計算線圈繞組的生熱，計算得到的結果導入ANSYS Mechanical的熱分析模塊計算電磁閥的溫度分布，再將計算的結果導入ANSYS Mechanical結構分析模塊進行熱應力分析。同樣采用ANSYS Fluent計算電磁閥噴油燃料的流場分布，包括壓力，速度分布等。

涉及電磁發熱時，用Electrothermal或 Maxwell + 熱模塊；需評估熱變形 / 應力時，添加熱 - 結構耦合。3. 電子散熱優先用IcePak提高效率；復雜工業流體（如燃燒、多相流）必須用Fluent。以上來源于網絡總結，個人總結起來就一句話：優化對流散熱用CFD，優化熱傳導用ANSYS Mechanical

電機的工作原理都是基于電磁理論，主要由電路（繞組）和磁路（鐵芯）兩大部分組成，其主要故障類型有繞組斷線、繞組過熱、匝間短路、絕緣老化、鐵芯變形及電機轉子偏心等，永磁同步電機因其轉子上還裝設有永磁體，還可能發生永磁體的不可逆退磁故障，總體來說，電機故障種類繁多，原因復雜。

本文以1臺120 000 r/min的超高速PMSM為例，通過Maxwell計算定子內表面徑向和切向電磁力時域密度分布，將該力密度作為激勵源耦合到Mechanical中進行頻域的諧響應分析，并將分析結果作為激勵耦合到Harmonic Acoustic中，得到徑向力波對電磁噪聲的影響，根據電磁力波二維傅里葉變換及噪聲聲壓級云圖研究了超高速PMSM的電磁噪聲特性。

基于此,本文提出了基于磁路法和等效熱網絡法的電機磁熱快速設計仿真方法。以表貼式永磁同步電機為例，給出了基于磁路法進行PMSM電磁設計關鍵參數的取值標準；同時建立了包含36個節點的PMSM集總參數熱網絡分析模型，并選取其中關鍵節點推導了熱平衡方程，最后應用該方法對某航天電機產品進行了磁熱仿真分析，并分別與商軟計算數據和實物試驗數據對比。

基于 Simplorer 電機的建模Simplorer 是功能強大的多域機電系統設計與仿真分析軟件，可以對機電驅動系統、熱力系統、傳動系統、傳感器設備、電磁場領域和電力電子系統進行仿真分析。Simplorer 建模的基本步驟為：查找、放置所需要元件，元件連接，元件屬性設置，輸出變量設置，求解屬性設置，仿真結果顯示設置。

表1 定子自由模態仿真與實驗結果對比2.2 電機電磁振動計算 將前面所計算的電磁激振力和齒槽轉矩加載到永磁有刷直流電機三維有限元模型上，通過Maxwell 與workbench 電機磁-固耦合仿真的方法，將二維模型的電磁力加載到三維有限元模型，計算電機的振動響應。

該電磁閥模型采用ANSYS Maxwell電磁場分析計算線圈繞組的生熱，計算得到的結果導入ANSYS Mechanical的熱分析模塊計算電磁閥的溫度分布，再將計算的結果導入ANSYS Mechanical結構分析模塊進行熱應力分析。同樣采用ANSYS Fluent計算電磁閥噴油燃料的流場分布，包括壓力，速度分布等。

Motor-CAD集成化軟件包，可在選型、設計階段高效地對電機進行電磁和熱性能測試；軟件包括：電磁（EMag）、熱（Therm）、機械模塊（Mechanical）和虛擬實驗室（Lab）四個模塊，可在幾分鐘內精確評估電磁、熱和電磁振動噪聲特性。 本例以一臺48S8P永磁同步電機為例，對電機的電磁噪聲進行仿真分析。