Hi-Key电机与电器CAE解决方案

1、Hi-Key电机与电器CAE解决方案2报告内容电机与电器行业概述电机与电器的CAE仿真需求海基CAE解决方案与案例介绍3电机与电器专业一级学科：0808电气工程二级学科：080801电机与电器一体化电机的理论与技术方面：步进电机、无刷直流电机、感应同步器等。电机的电力电子驱动技术方面：电动车、电机驱动系统的结构与控制策略、变频电源谐波抑制技术。高环境、高可靠电机与电器方面：高环境电器可靠性理论与技术、航天电器的理论与技术、卫星姿控用飞轮的可靠性设计。新型电磁机构的理论与应用方面：特种电机、磁性流体密封、旋转轴的在线动平衡、电磁成型技术。4行业背景中国机电产品进出口商会在2014年4月15日开幕

2、的第115届广交会上透露，2013年中国机电产品进出口贸易额为2.1万亿美元，占据着中国对外贸易半壁江山，并连续4年位居全球首位。2013年4月工信部印发2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案，重点推进实施电机能效提升和涉铅行业绿色发展两个专项计划。计划除设定具体目标外，更按月、按季度设定进度要求，政策和中央财政支持力度不断加强。工信部联合国家质检总局决定组织实施全国电机能效提升计划。按照该计划，到2015年，实现电机产品升级换代。5报告内容电机与电器行业概述电机与电器的CAE仿真需求海基CAE解决方案与案例介绍电机标准电机的主要性能指标（1）转矩、（2）电流、（3）效率、（4）功率因数

3、、（5）绕组温升（绝缘等级）、（6）振动、（7）噪声；效率、功率因数、最大转矩倍数越大越好，而绕组温升、振动和噪声越小越好。6电机的主要性能指标型 号额定额定转速 效率 功率堵转转矩堵转电流最大转矩噪声振动重量功率 电流 因数 额定转矩额定电流额定转矩1级2级速度 kWAr/min%COS倍倍倍dB(A)mm/skg同步转速 3000r/min 2 级Y80M1-20.751.82830750.842.26.52.366711.817Y132S2-27.515290086.20.88272.378831.8727需求分析转矩、电流、效率、功率、绕组温升强度、模态、振动噪声电机冷却1234电磁声

4、学控制流体电机研究CAE需求结构控制、半实物仿真5研发管理多场耦合多场耦合6研发管理78报告内容电机与电器行业概述电机与电器的CAE仿真需求海基CAE解决方案与案例介绍电机与电器电磁分析解决方案电磁分析解决方案MagNetOptiNetThermNetElecNet磁场优化设计温度场电场MotorSolve通用分析模块专业电机设计10综合解决方案CFD自研接口MagNet for SolidWorks Motorsolve：电机快速设计软件为中国区用户定制的中文界面结合有限元法和磁路法，内嵌MagNet 2D求解器，保证精度内嵌多种电机模版，满足快速设计需要参数化设计，贴近工程的参数、参数关联

5、、参数保护热分析功能扩展功能： MagNet、dxf、Simulink（数字系统仿真）、VHDL（半实物控制仿真）对比报告、结果报告11电机设计解决方案基于MotorSolve的混合动力汽车电机设计无刷直流电机，特别是内置永磁体式（IPM）在混合动力和电动车辆中受到广泛的应用。利用有限元方法，分析非线性材料、PWM驱动电路等。几何建模器可以在几分钟内完成8极、48槽、三相IPM电机复杂结构的建模。12MotorSolve界面转矩、效率、电压、电流和功率因数曲线图参考案例永磁电机设计Magnet双向磁热耦合分析电机瞬态温升；实现电机方案的多目标自动优化；可分析大型电机的端部特性；丰富的联合仿真功

6、能：可与流体软件耦合进行深度散热分析；可与结构、声学软件耦合进行振动、噪声分析；可与控制系统软件耦合进行数字控制仿真。2D/3D多运动部件多自由度瞬态运动求解器，是市场上唯一支持六自由度的电磁求解器。可以求解磁悬浮电机、球形电机（仿生关节、机械臂）、多转子电机等问题。13电磁特性模拟解决方案问题：传统的铁损计算方法是根据磁密B的最大值来查找磁化曲线。对于永磁电机，磁铁周围的磁密值虽然很高，但基本保持不变，这时这种铁损计算方法是不正确的。解决方法：Magnet提供铁心损耗计算方法，能够准确计算永磁电机的铁心损耗，在此基础上可以进一步准确计算电机的温度场。14参考案例磁场模拟与铁芯损耗计算转子内插

7、永磁电机的磁密云图转子内插永磁电机的损耗密度图项目目标：对转子内插永磁电机进行优化，使得转矩脉动最小。解决方案：应用MagNet和OptiNet，可以方便地优化电机的转矩脉动、效率、成本等。优化变量：永磁体的尺寸和定子磁场超前角约束条件：1800RPM转矩不小于0.475Nm；4000RPM转矩不小于0.350Nm；1800RPM和4000RPM时，EMF小于外加电压；1800RPM和4000RPM时，效率不小于80（损耗包含欧姆损耗，铁心损耗和涡流损耗）。项目成果：转矩波动被显著降低到初始值的11.92%。15参考案例转矩脉动优化设计16磁热耦合分析解决方案MagNet + ThermNet

8、 + OptiNet磁场+热场+优化MagNet+ThermNet：磁热双向耦合MagNet电磁场分析ElecNet电机参数化优化获取磁密云图、电磁力、损耗等计算结果MagNet-ThermNet磁热耦合温度分析MotorSolve电机设计参考案例电机设计与磁-热-优化耦合分析17电机与电器控制解决方案电机开发解决方案MagNetSimulink接口软件磁场模块系统仿真数据交换基于Magnet的电机控制开发19问题：实机测试和电磁设计的电机，磁钢在损耗上差距非常大，初步认为是实机测试的控制器和电磁设计的激励不一样造成的，实机测试是采用PWM控制。20参考案例电器控制器与电磁特性联合模拟解决方法

9、：联合Simulink、PSIM等软件，模拟PWM控制的外电路，然后和Infolytica软件进行联合仿真。示例图片链接MagNet电机-控制系统半实物仿真分析方案将MotorSolve软件生成的高精度电机模型应用于eDRIVEsimTM之中，实现电机-电力电子驱动与控制系统的半实物仿真。21电机与电器流体分析/冷却解决方案旋转电机在能量转换过程中，其内部将同时产生损耗，其能量最终均转化为热能，使电机各部分的温度升高。这将影响到所用绝缘材料的使用寿命，并限制电机的输出，严重的甚至可把电机烧毁。电机温升是衡量电机性能的一个重要指标，它表征电机的内部损耗，即表征电机发热的物理量。电机的冷却情况决定

10、了电机的温升，温升又直接影响电机的使用寿命和额定容量。因此冷却问题是电机研究中必不可少的环节。23研究背景电机冷却方法主要有三种：风冷却：流动的空气带走电机产生的热量。绕组内导体散发的热量经过绝缘线或经过铁芯向外传导，因此会导致绝缘线和铁芯温升过高，影响绝缘寿命以及引起铁芯应力集中。水冷却：采用水冷却技术，使发电机定子绕组损耗产生的热量，不再经过铁芯，定子铁芯的温升由其自身损耗产生，温升大幅度降低。蒸发冷却：当电机绕组空心导体内部通以冷却液体，吸收损耗产生的热量，温度逐渐升高，当液体的温度达到压力所对应的饱和温度时，就改变其物理状态而沸腾汽化，带走热量，冷却电机。24电机冷却方法25流体分析解

11、决方案电机散热特性三维CFD分析：FloEFD电机冷却系统模拟：Flowmaster电机控制模块散热CFD分析与热测试联合：FloEFD/FloTHERM + T3Ster嵌入CAD平台，简化CFD仿真操作流程。电机结构复杂，FloEFD可自动识别流体固体域，自动化网格划分。无需模型简化即可仿真，复杂形状物体尤其适用。利用CAD平台渲染手段，后处理效果更佳。26FloEFD模型处理边界条件网格生成 求解(批处理)后处理报告生成同步CFD25%35%时间导入CAD模型 建立空间体网格生成参考案例电机、变压器散热CFD分析27电机散热分析变压器散热分析实现电机流体系统仿真，而非部件可精确预测电机各

12、系统参数：压力、流量、流速、温度等完备的分析模块 不可压流体稳态及瞬态分析 不可压流体稳态和瞬态传热分析 完备的元件库、数据库用户自定义功能强大的报表生成工具28FlowmasterFlowmaster计算模型系统压力分布系统流量分配某电机冷却系统等效网络图参考案例电机冷却系统模拟29CFD仿真-热测试集成解决方案JESD51-1T3Ster-Master 软件器件光-热特性测试热特性测试建立复杂的热分析模型FloTHERMFloEFD/FloTHERM CIE 127-2007JESD51-51FloEFD/FloTHERM仿真JESD51-14JESD51-52T3SterTeraLEDT

13、eraLED View 软件T3Ster/TeraLED光-热测试30参考案例IGBT热分析与与热测试31电机与电器结构分析解决方案结构分析方案运动仿真非线性疲劳分析线性声学分析AdamsMarcFatigueMSC NastranActran串行 迭代松散的耦合手工驱动33使用MSC.Nastran对电机定子结构进行模态分析，得到电机定子的多阶固有振动频率、振型；可以进一步分析出电机定子振动的主要失效形式和危险位置，为新电机结构设计和修改提供了理论依据。34参考案例电机定子结构振动模态分析前六阶模态位移云图模态分析冲击分析确定结构在无阻尼、自由振动条件下的固有频率和固有振型随机振动分析建立有

14、限元模型参考案例某电器设备动力学特性分析随机振动响应、随机振动疲劳分析获取时间-加速度曲线惯性分析（加速度分析）获取不同加速度下的应力与形变结果35电机与电器噪声解决方案电机噪声分类:（1）电磁噪声电磁力作用在定、转子间气隙中，产生旋转力波或脉动力波，使定子产生振动而辐射噪声，这类噪声称为电磁噪声。它与电机气隙内的谐波磁场及由此产生的电磁力波幅值、频率和极数，以及定子本身的振动特性，如固有频率、阻尼、机械阻抗均有密切的关系，还与电机定子的声学特性有很大关系。（2）机械噪声电机中的机械噪声主要是由轴承和电刷引起的。这些噪声和它们所用的材料、制造质量及电机装配工艺、配合精度有关。（3）空气动力噪声

15、由电机的冷却风扇产生，主要由风扇的型式、风扇和通风道及进出口的结构设计决定。在无外风扇的封闭电机中，空气动力噪声是微不足道的，主要是电磁噪声和机械噪声。37电机噪声概述分析工具Actran模拟的物理问题声学：声源的传播振动声学：声-固耦合分析流动声学：流体发声、复杂背景流的声传播38电机噪声分析电磁噪声分析风扇噪声分析39电机电磁噪声现有解决方案(二维到三维)定子与气隙接触线上力：F总利用积分得到每个齿上力：F齿1、每个齿面上N个节点，节点上加载F齿/N；2、往齿面中心点加F齿优势：分布式电磁力加载方式40电机电磁噪声：海基解决方案(三维到三维)三维电磁场分析电机声学网格模型处理 电磁力保存分

16、布式电磁力映射到声学模型 运算求解、后处理 几何模型，求解工况电磁软件Actran反馈优化41电机电磁噪声：海基解决方案电机结构振动位移图电机外部声声压分布图声辐射指向性曲线结构声辐射贡献量图Actran分析模型CAD模型CFD模型CFD计算结果（速度、压力云图显示）CFD计算Actran声场计算Actran频谱曲线响应Actran声场分布电机风扇噪声42参考案例变压器振动辐射噪声分析载荷与边界条件：结构重心加载三个方向的力和力矩；铁心底面位移约束研究对象为变压器铁心柱声学计算分析Infloytica-Magnet计算节点瞬态、频域的力或力矩，提取总力、总力矩声学计算域获取声压级分布、场点频谱

17、与指向性结果43参考案例风电设备降噪分析风力发电机转子部位声学模型与观察点设置降噪构想：在转子内壁面加装吸声材料声学与降噪特性计算分析获取声压级分布与隔声特性结果44参考案例密封套隔声特性分析网格模型声学模型计算结果（传递损失）CAD模型45参考案例压缩机降噪设计与仿真分析考虑结构部件的振动效应建立压缩机完整模型，耦合所有内部结构，包含钢板之间的焊接、螺栓的连接、油、制冷剂、固、液、气体区域完全耦合、橡胶底座模拟压缩机放置在地面46参考案例消音器性能分析吸气腔与排气腔有限元网格传播介质为空气（Air）和制冷剂（R600a）吸气腔传递损失传播介质为空气（Air）和制冷剂（R600a）排气腔传递损

18、失47多场耦合解决方案基于MpCCI的多场耦合分析方案MpCCI支持的主要CAE软件多物理场代码耦合分析平台流固耦合与气弹分析热固耦合与热应力分析1D系统模型与3D CFD模型的耦合多体动力学系统与非线性结构的耦合仿真商业仿真代码与自编代码的联合仿真涉及三个及以上物理场的耦合仿真电磁-流体动力学耦合分析分区CFD耦合49FSIMapper 参考案例发电机热-固耦合冷却分析CFD网格结构网格固体区域温度分布风量分布流场温度分布50参考案例温控箱热-固耦合分析CFD网格结构网格结构热应力及局部分布图结构温度流场温度51研发管理与生产规划计算中心统一管理解决方案SimCloud53Hi-Key DeSims设计-仿真管理平台Hi-Key DeSims设计仿真管理平台 SOA / 工程中间件流程管理流程再造流程定