Motor-CAD?基于多物理场的快速电...

概述

电机设计需要考虑电磁性能和温升性能,包括机械设计等多物理场性能;但同时涉及到产品设计研发周期、生产周期缩短,时间成本降低等刚性需求。同时市场也需要电机具有效率高、转速范围宽、体积小、重量轻、功率密度大、成本低等优点,因此电机设计研发中,寻求一款匹配的、快速的基于多物理场耦合考虑的电机设计研发软件是整个工作首要解决的问题。

Motor-CAD是电机电磁、热及磁热互耦设计软件,用于电机的电磁特性和热特性进行优化设计。开发至今,已被全球主要的电机生产商、科研机构及高校广泛使用,能够满足市场用户的需求。作为国际上应用及影响范围广泛的电机电磁热设计软件,Motor-CAD集成了磁路法、热路法、热网络法、有限元分析法、智能优化算法,20年积累的丰富电磁热计算经验数据,有效提升了不同种类、不同冷却型式电机电磁与热计算精度。

Motor-CAD开发者MDL公司是全球领先的电机设计软件开发商,1998年成立至今,一直致力于先进电机设计软件的开发。

功能模块

Motor-CAD集成化软件包,可在选型、设计阶段高效地对电机进行电磁和热、机械性能测试。软件包括:电磁(E-Magnetic)、热(Thermal)、机械(Mechanical)、优化(OPT)和虚拟实验室(Lab)五大模块,可快速精确评估电磁、热和机械特性。

Motor-CAD 模块组成


 Motor-CAD EMag
该模块为计算电机的电磁性能方面数据,涵盖所有典型类型的径向磁通旋转电机:
? 无刷永磁电机(内外转子)
? 感应电机
? 同步磁阻电机
? 开关磁阻电机
? 同步绕线励磁电机
? 永磁直流电机
? 单相感应电机


 支持输入电机各个参数和几何结构的数据,解析计算与数值分析模拟技术相结合,采用有限元计算方法,可以计算电机的电气和电磁性能,得到相应的数据和场量云图。
? 电机磁密、磁力线、电流密度、涡电流密度云图计算;
? 多频率铜损、铁损、磁滞损耗、涡流损耗计算;
? 齿槽转矩、端电压、反电势、转速功率、转矩转速及FFT分解;
? 工作点效率、转矩波动、平均转矩、转矩波动比、最大转速、功率因数、功率因数角、负载角计算;
? 温度退磁、电枢退磁分析、堵转转矩、堵转电流计算;
? 转子转动惯量、转轴转动惯量、总转动惯量、转矩密度计算;
? 相电压、相电流、DQ轴电压电流矢量图、自感、互感、DQ电感计算。


 不同种类电机的输入界面


电磁计算结果


 Motor-CAD可以设置为求解和热模型耦合计算,直到达到收敛。


电磁热耦合计算设置


 Motor-CAD Therm
Motor-CAD Therm采用热阻网络法,根据电机结构模型数据和材料性能,自动计算出电机模型中的所有热阻和热容。用户不需要熟悉复杂的传热现象,自动选择并解决给定表面和所选冷却类型的适公式。它具有高效、准确和强大的数学算法,用于强制和自然对流、液体冷却、辐射和传导。


该软件用于优化各种电机类型和冷却方法。自动生成热网路和风路,能够在数秒内精确模拟热行为,能够获知主要的热传递路径和时机,从而显著提高输出。允许多次迭代和充分探索设计空间,以及电磁分析;确保理想设计决策。计算稳态和瞬态运行条件下电机各部件的温度。
? 空载、额定、短路、循环工况温升计算;
? 各部分耗散热量分布计算;
? 各部件热容、热阻、对流换热系数计算;
? 结构、材料特性、冷却方式参数化、优化温升计算。


 支持电机的冷却方式:
? 强迫通风、自通风、
? 机座水冷、油冷、转轴水道、
? 湿转子、喷嘴喷油、定子、转子槽水冷、潜水冷却等多种冷却方式。


 电机的热模拟可能具有挑战性,因为制造方面对热行为的影响显著。因此热模块考虑到了影响温升的制造方面不确定性例子:
? 定子与机壳接触界面良好
? 绕组如何浸渍或封装


 用户可以根据软件中附带的相关经验,选择适当的数值计及到热计算中,提高热计算的精确度。


计及影响温升计算的制造方面因素


风路和热阻网络
 

温度分布云图和瞬态求解曲线


 Motor-CAD Lab
Motor-CAD Lab使工程师可以快速地创建效率map图,绘制扭矩/速度特性,研究连续和峰值热约束运行包络,并分析驱动周期循环性能。该方法速度快,使用方便,并经实验验证。


 Motor-CADLab具有直观的用户界面,数据以简单的格式生成,可以轻松导出到Matlab、Microsoft Excel和其他应用程序。可以生成各种各样的图形,并支持多种出版输出格式。
? 效率和损耗map图
? 峰值转矩/转速曲线
? 连续转矩/转速曲线
? 开路和短路试验
? DQ电感曲线计算
? 多工况铜损、铁损、永磁体涡流损耗计算


 效率map图以转矩/转速曲线


  Motor-CAD Mechanical
提供一个快速的二维有限元模块,用于精确的转子应力分析预测,还提供电机设计的三维视图。


转子冲片应力分布云图
 

电机三维模型视图

软件优势

Motor-CAD 具有足够的核心竞争力,相比于现有市面上能够看见的商业化电机设计或分析软件,具有下面10大核心竞争优势,是电机行业和设计研发革命性划时代的产品。
专业化电机设计软件
专业化的电机设计软件,只专注于电机设计,具有丰富的电机类型

 

多物理场设计
Motor-CAD具备电磁、热、Lab、机械模块。可同时对电机电磁、热进行优化设计。

解析法有限元混合+快速有限元技术
Motor-CAD整个程序框架完全是为电机设计量身定制,优化了有限元程序,采用高效的汇编语言撰写有限元核心算法,极大的提高了计算效率,是传统有限元软件计算效率的数倍到数十倍。磁路法、热路法、热网络法、有限元分析法、智能优化算法混合算法。自动剖分网格,设置边界和自动加密网格,周期阵列。

参数化+优化
Motor-CAD支持参数化模型与参数化设置,参数化设计,选项卡式操作和自动构建3D模型,并支持参数相关性分析,采用OPT模块或者第三方优化软件进行灵敏度分析和优化分析。优化设计快速方便

热设计
Motor-CAD是专业电机热设计软件,包含稳态+瞬态热计算,耦合电磁计算功能,内置丰富的冷却结构,复杂的冷却方式,能够极高提高计算效率(数秒到数分钟),同时包含热路+有限元方法,自动构建热网络,集成工艺系数考虑对热结果的修正。

自动后处理
Motor-CAD计算完毕,无需进行后处理操作,曲线、云图、报表自动化输出

虚拟实验室LAB
Motor-CAD可以方便的对整车参数输入,进行路况图谱计算。包括效率Map,DQ电感曲线,峰值转矩转速,额定转矩转速计算。可以考虑电机+发电机,并考虑集成控制策略。

快速高效+易用
Motor-CAD硬件要求低,无需工作站;
不限制核数,支持多核并行;
MAP图(5分钟)笔记本电脑;
计算速度非常快,效率高;
操作简单,易上手;
中英文自由切换;
多个题目同时计算;
轻量化软件

精度高
无论从核心算法,还是主要设计影响因素,甚至考虑到生产制造过程中的各种因素对实际性能的影响。因此Motor-CAD 的电磁、散热、效率&功率Map等结果,和试验相比,有非常高的精度,完全满足和涵盖工程要求,尤其是产品概念设计阶段和初步设计阶段。

可与多种电机相关软件进行耦合计算
Motor-CAD可以和多种软件进行耦合计算,可以对产品进行更为精确的求解计算。包括可以和ANSYS、OptisLang、Romax、GT-Suite、MATLAB等软件进行耦合计算。尤其是在ANSYS中,可以和Maxwell、Fluent、Mechanical、Simploer对电机进行电磁、温升、机械以及系统方面的耦合计算,得到更为完整详细精确的数据结果。


Motor-CAD & Ansys组合设计流程

Motor-CAD模型导入到Workbench中

典型应用

Motor-CAD应用领域:新能源汽车与轨道车辆、船舶、航空航天与国防、家用电器、通用机械、可再生能源、工业应用等领域。


 新能源汽车与轨道车辆、船舶
主要用于新能源汽车的动力驱动系统、动力转向、电机运动等方面。基本满足市场上所常见的电机类型。在轨道车辆方面为应用于机车牵引、制动等方面。比较典型的就是特斯拉利用Motor-CAD对电机设计方案进行快速评估,进而通过场路耦合和参数化设计对电机的重点设计指标进行合理优化,Motor-CAD相较于传统的FEA仿真,具有场路耦合时间短和精确度较高的优势,对于特斯拉方案提出、优化和确定非常有帮助。

 

图特斯拉电动汽车驱动电机

Motor-CAD比较经典的新能源汽车案例还有丰田普锐斯2010 款,Nissan Leaf,BMW i3等车型的电机设计。汽车行业不仅仅是新能源汽车,包括常规汽车的辅助用电机,也充分利用Motor-CAD进行设计,如EquipMake利用Motor-CAD设计高速涡轮永磁发电机。

 EquipMake汽车辅助设备电机


航空航天与国防
为航空航天和国防行业提供其所需要的电机。从电动执行机构到电制动系统,Motor-CAD应用广泛,可以满足其设计的可靠性、尺寸和重量要求。下面是直升机尾部螺旋桨驱动电机。

 

直升机尾部螺旋桨驱动电机


工业应用与通用机械
应用于各种工业动力应用领域,如各种风机、潜水泵、密封压缩机和输送系统等方面。下面是工业电机做为通用传动设备采用Motor-CAD进行设计分析优化。

 

传送系统方面


可再生能源
应用于各种可再生能源应用,如风力发电和潮汐发电领域,其主要要求是该电机具有良好的可靠性、高效率和满足一定的尺寸要求。

 

 风力发电机


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