电机仿真咨询与专业定制开发

电机是一个集电气、机械、动力学、散热、电子电路、控制系统等众多学科综合于一体的复杂系统。在实际研制过程中，需要考虑多方面的工程问题和物理问题，数字化仿真分析技术为电机的研制提供了非常高效的手段。面向电机领域仿真需求，客户化定制开发技术将助力用户实现专业化的快速仿真分析，并且更精确更全面的分析电机的性能。本期，为大家分享安世中德在电机领域的定制化技术和仿真咨询案例。

1、电机领域服务方向

安世中德基于ANSYS系列工具，提供从电机电磁性能分析到结构力学分析到电机散热性能分析的整体仿真分析服务能力，在长期的咨询服务中积累了丰富的经验。

面向工业品领域：永磁同步电机、异步电机、步进控制电机、牵引3电机、主推力电机等。

咨询技术专题：电磁性能、转子动力学、振动降噪、疲劳耐久性、通风散热、多物理场耦合、可靠性、设计优化。

安世中德电磁仿真咨询的优势体现在：

整机系统的三维性能分析。
全面的计算领域。各方面的性能计算，包括电磁设计、通风计算、热计算、机械计算、噪声计算。
耦合场的分析应用。考虑多场之间的相互影响、相互耦合，成熟的多场载荷传递和场的耦合分析技术
仿真流程模板化开发。通过标准的仿真体系、仿真分析流程和仿真分析要点，进行电机仿真分析的封装和模块开发，以能快速帮助用户进行电机的分析、研究和设计开发。
电机参数化优化设计。
电机性能的稳健性和可靠性设计。考虑进行电机设计性能的稳健性和可靠性评估，以提高电机产品的鲁棒性和可靠性。

2、电机领域典型咨询项目与专业系统列表



3、专业系统——电机仿真计算模板系统

安世中德在长期面向电机领域提供咨询服务的过程中，通过实验与仿真的多次对比，积累了丰富的建模、参数选取和模型校正经验，使得计算结果可以与实验得到较好的吻合。在此基础上梳理了分析的方法和流程，通过二次开发进行了封装和固化，建立了电机/多物理场仿真分析的完整规范和标准流程，形成了专用仿真系统。





电机仿真模板系统

4、专业系统——变压器电磁振动噪声模拟计算系统

变压器振动噪声很大一部分是由于铁芯材料在交变电磁力作用下的变形引起的。变压器仿真计算软件系统是集成变压器模态计算、电磁场计算、电磁力振动计算、磁致伸缩振动计算和噪声计算的仿真计算平台。通过该仿真计算平台，将变压器电磁振动的整个分析流程及复杂的计算代码进行封装，把设计过程中的各影响因素参数化，对仿真数据进行统一管理，形成了标准化的变压器电磁振动噪声分析的解决方案，实现专业化的快速仿真分析。



变压器电磁振动噪声模拟计算系统

5、电机电磁性能分析
电机电磁分析是电机设计的根本，电磁设计论证不充分，会引起电机后续设计中的一系列问题，如损耗、效率、温升、散热、振动、噪声、控制等。传统的设计流程中采用的是磁路法，能快速得到电机的很多性能，但是分析精度不够高，无法考虑的很多电机的结构细节问题，例如结构导角，孔对性能的影响，导体涡流效应，铁心饱和效应，以及齿槽效应等。目前电机的绝大部份电磁问题可以通过2D和3D的电磁场有限元分析来解决，极大的弥补了磁路法的不足，能够更精确更全面的分析电机性能。计算内容主要包括：

• 电机在启/停过程中的电磁特性
• 电机的电场、磁场强度、磁通密度、磁通分布
• 电磁力和电磁力矩、矩角特性
• 空气隙、齿部、轭部磁压降计算、气隙磁密计算、气隙磁密分布曲线、极弧系数
• 漏磁系数
• 斜槽效应
• 磁动势（EMF）与反电动势
• 考虑集肤效应，计算涡流
• 绕组电阻，绕组电抗，主电抗，漏电抗计算
• 电感矩阵参数（自感、互感）
• 电路计算、场路耦合问题
• 铁芯和线圈的损耗、功率
• 焦耳热

电机3D瞬态磁场分析——分析模型、瞬态磁感应强度分布



某电机焦耳热生成分析



电机多切片场路耦合分析（2D电磁场分析考虑斜槽效应）

6、电机结构静强度分析

电机结构设计和机械计算是电机设计的一个重要组成部分，它主要在电磁设计完成后进行。电机主要结构部件的设计都需要校核刚度，强度（包含静强度和疲劳强度）以及振动模态特性。在电机结构强度分析中主要考虑的问题包括：

• 铁芯、绕组和螺栓连接等效处理
• 电机工作状态下的刚强度（转子离心力、电磁力、热变形等）
• 转子超速和飞逸工况下的刚强度
• 过盈装配
• 零部件焊缝、转子疲劳强度

通过对电机的结构分析，以期能解决电机系统设计中存在的强度、刚度、模态、振动、疲劳、断裂和工艺装配等问题，而电机结构静强度分析则是重要的基础分析。



硅钢片、铁芯与绕组的力学等效建模



定子整体变形（电磁力、温升），定子应力分布（电磁力、温升），转子径向变形（温升、离心力）



子转轴过盈装配应力分析、机座强度分析与FKM规范校核、座橡胶悬挂刚度计算与试验校核

7、电机振动与噪声分析

电机作为重要的动力源，运行时会受到电磁力、转子不平衡响应、环境动态载荷等激励，进而产生结构振动，良好的结构动力学特性是电机长期稳定运行的基础。定子的固有频率、转子的临界转速是否能够避开转动频率、工作频率、激励频率，从而避免发生共振；对某些动态激励，还需要评估电机产生的振动是否满足设计和规范要求，保证系统振动不超标，不产生有害的振动。所以必须要通过精确的仿真分析，来降低电机的振动和噪声。

• 电机结构固有频率和模态分析：复杂的电机整机结构系统进行合理地等效，使计算模型能够代表真实电机系统的质量和刚度分布，从而得到准确有效的电机结构固有频率及对应振型。
• 电机转子动力学分析：研究转子-支承系统在旋转状态下的振动、平衡和稳定性问题，尤其是研究接近或超过临界转速运转状态下转子的横向振动问题，有助于得到电机转子的临界转速、通过临界转速的状态、动力响应、动平衡和转子的稳定性特性。
• 电机机械振动噪声：包含转子的不平衡振动、轴承的撞击和激振振动、电刷滑动音等。
• 电机电磁振动噪声问题：定转子气隙产生的磁通，加转矩产生的基本（主）磁通，存在的高次谐波磁通促使定子与转子铁心互相吸引的电磁力波作用，定子铁心、转轴弯曲移位产生振动，进而产生噪声。
• 电机硅钢片磁致伸缩振动：磁致伸缩是指电机硅钢片铁芯在交变磁场的作用下，发生微小的尺寸变化的现象，磁致伸缩使铁心随励磁频率的变化做周期性振动，噪声随之而来。
• 电机通风噪声：主要由风扇和电机转子旋转时产生，包括风扇旋转压力噪声和涡流噪声以及风扇与通风路内空气流动其它部份的干涉而产生的噪声。

模态分析与试验对比



电机转轴转子动力学计算（振型、Campbell图、涡动轨迹）



电机电磁振动噪声分析（电磁振动谐响应分析、速度导入声场、噪声声压级）

8、电机结构疲劳分析

对于承受交变载荷的结构，疲劳强度是其重要的性能指标。电机在运行中会受到电磁力、转子不平衡响应、环境动态载荷等激励，在长期交变载荷作用下，转轴几何突变处、焊缝等地方容易萌生疲劳裂纹，对电机运行安全产生威胁。通过有限元分析得到关注部位的受力或应力状况，结合标准规范以及疲劳理论，即可在设计阶段对结构疲劳寿命进行定性分析，并据此调整结构，优化性能，提高经济性。电机结构疲劳主要有：

• 电机转子疲劳分析
• 电机焊缝疲劳分析
• 电机随机振动疲劳分析

电机转轴疲劳分析



电机基座随机振动与结构应力法焊缝疲劳分析

9、电机通风散热分析

近代电机大部采用较高的电磁负荷以提高材料的利用率，电机的单机容量也日益增大，电机通风散热能力是可靠性和寿命的重要保障。在电机的通风冷却系统的设计中，需要详细考察总风量、风量分配以及通风损耗和效率等指标和条件，并尽可能的保证风路简单，系统中的寄生涡流及风摩损耗较低，加工制造容易，气动噪声较低。

应用CFD技术进行通风散热分析，可以预测电机内部的发热情况和流体对系统的冷却情况，准确模拟电机各部位的温度分布，特别是关注的齿槽内绕组，端部绕组等关键位置影响评估绝缘等级处的温度，从而对冷却系统，如通风系统、风扇、水路，冷却器的冷却效率进行改进，使得电机内部的温度控制在一定的范围内。



某无刷电机强制风扇冷却系统分析（电机模型、流速分布、端盖处温度分布）