方案丨安世亚太电机及机电一体化解决方案
由于电机工作原理和结构的复杂性，在研发过程中涉及到电磁、强度、刚度、疲劳寿命、密封、散热、噪声等多方面的工程问题和物理问题。借助数字化仿真分析技术，可以克服传统设计方法过于依赖经验和试验、成本高、周期长的不足，全面提升电机的研发设计水平。
机电一体化是目前电机发展的一个主要趋势，因此，电机设计也不能仅仅局限于电机本体，需要关注包括电机本体、电机驱动系统、传感器系统、机械和液压系统等在内的整个机电一体化系统等，并将这些不同领域的问题结合起来，在设计初期就综合考虑。所以工程师必须有一个既能实现电机本体设计，又能进实现电机驱动系统设计和机电系统多域系统仿真的全集成化设计及分析平台。
现代机电一体化的高性能电机设计，首先是基于快速分析方法从众多方案中获得若干个较优总体方案；然后针对此少量的较优总体方案进行详细分析，详细分析电机本体的电磁特性、散热特性、结构特性、振动特性、噪声、安全寿命，以及控制器设备的信号完整性、电磁兼容性和散热特性等，综合多个性能参数的要求，反复分析和优化。最终根据多个性能参数的权重获得一个最优化设计方案。
现代机电一体化的高性能电机的详细设计流程如下图所示：基于电机的整体性能指标，细分为电机本体性能指标和控制器性能指标，同时进行两者的设计，并保证两者的联调协同能够正常执行，不会出错。
电机本体设计分析过程：
（1）基于电机性能指标，首先进行电磁性能的分析，获得电磁驱动力/力矩特性、以及电机热生成参数（即：电机定转子等各个部件上的热耗）；
（2）基于电磁分析获得的热耗进行流体动力学及散热性能分析，获得电机详细的温度场分布，以及速度场和压力场参数；
（3）基于电磁分析的力/力矩特性、流体热分析的温度场特性，进行结构强度、热应力、变形分析。
（4）如果上述设计分析每一步均能满足设计指标要求，则进而进行振动、噪声、疲劳寿命分析；如果上述设计分析过程有一步未满足要求，则需要回归模型，重新改进，并按此分析流程循环。直至满足所有技术指标为止。
（5）更为重要的是：上述电机本体的设计过程中，电磁、热、流体、结构、振动、噪声等性能设计及分析不是简单的叠加或单一的串联；而是相互交织，互相耦合关联的过程。
电机控制器的设计分析过程：
（1）基于控制器性能指标，确定控制策略，并按照控制策略完成电路设计；
（2）基于所设计的电路进行信号完整性分析；
（3）进行电磁兼容分析。
高性能电机的仿真分析需要包括如下几个部分：机电系统级快速设计分析、电机快速仿真分析及方案优选、电机详细仿真分析及优化、以及控制器详细仿真分析及优化。其中电机详细仿真分析及优化又需要细分为：
（1）电机的电磁仿真分析
电机的电磁设计问题主要包括电机磁路法设计问题、电机电磁场有限元分析以及电机驱动系统设计等问题。此分析主要解决的工程问题为：电机稳态运行和故障工况分析；电机运行参数计算；电机驱动系统设计；电机退磁分析；电机的电磁优化分析；电机损耗和电磁力分析；电机在启动和停机过程中的电磁特性；矩角特性；电磁力和电磁力矩；铁芯和线圈的损耗、焦耳热、漏磁系数；电机的电路计算；场路耦合问题等等。
（2）电机的温升与散热仿真分析
电机发热是不可避免的。如果电机的温升太高，会影响电机绝缘的性能，带来比较大的热变形和热应力，威胁到电机的正常工作。。此分析主要解决的工程问题为：焦耳热引起的热变形和热应力；“绕组-绝缘-转子-定子”系统的导热和温控问题；电机启动过程的瞬态温度场模拟；电机通风散热问题。
（3）电机的强度/刚度仿真分析
电机在结构设计中需要考虑工作状态下的应力和变形。此分析主要解决的工程问题为：离心力作用下的转子强度；电磁力/力矩作用下的转子和定子强度、刚度；额定扭矩下的转轴强度；转子超速和飞逸的安全性问题；定子-转子气隙设计与扫膛问题；热套、过盈配合中过盈量、配合力以及过盈装配应力；轴承的密封性问题；螺栓预紧和螺栓强度。
（4）电机的振动特性与冲击仿真分析
转子、定子的动特性在电机的设计中也非常重要。例如定子的固有频率、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。此分析主要解决的工程问题为：转子、定子系统的共振问题；转子系统的不平衡问题；转子、转轴的临界转速问题；外部载荷冲击下的强度问题。
（5）电机的寿命与安全仿真分析
电机在工作过程中，定子与转子之间相互作用着交变的电磁力。伴随着电机一次次启动，转子转轴也承受变化的扭矩作用。因此，有必要评估定子、转子在交变电磁力作用下的疲劳寿命，预测转轴（包括键槽）和联轴器在脉动扭矩和冲击扭矩作用下的疲劳寿命，对疲劳引起的断裂问题进行防范。此分析过程主要解决的工程问题为：转子、轴颈、联轴器和中间轴的使用寿命和断裂安全性问题；转子、定子能够抵御外部载荷的冲击，满足疲劳强度的要求，具有足够的疲劳寿命；其它零部件的疲劳问题。
（6）电机的噪声仿真分析
电机运转存在噪声问题，噪声源可能来自气流、结构固有振动、轴承以及交变电磁力引起的强迫振动。降低噪音也是电机设计需要考虑的因素，包括：气体湍流引起的气动噪声问题、交变电磁力引起定子和转子振动产生的磁致噪声问题、不平衡引起的轴承噪声问题。
（7）电机的机构运动分析
电机作为机电一体化的一部分，主要是起传动作用，因此有必要进行机构运动分析，包括：电机运动机构刚体运动分析；电机运动机构启动、加速、稳态运行模拟；运动机构行程、速度、加速度模拟；与控制仿真软件联合进行控制伺服仿真分析。
（8）电机的优化设计分析
针对电机的电磁、结构/强度、散热、振动等特性，在设计过程中，一方面是通过仿真分析对既定的设计方案进行校核，确认是否满足设计性能指标；另一更重要的方面则是针对既定的设计方案，不断改进优化设计，获得最优化的设计方案。为了获得最优方案，还需要实现单学科性能参数的优化，以及多学科综合性能指标的优化。
（9）电机的加工工艺过程分析
机电一体化结构中，部件的加工制造过程也非常重要，加工完成的部件，也会对整体的机电结构的性能产生影响，甚至引起失效。在确定了机电结构之后，加工生产前，通过对工艺过程进行分析，可以提前发现加工的缺陷，避免模具的损失和生产周期的延长。
（10）电机分析的二次开发与客户化定制
在电机设计的过程中，通常会遇到一些重复性的工作问题。比如需要提取同样功能的参数、需要进行同样的工况分析、电机的设计结构相似或者有比较特殊的处理要求等等。采用二次开发技术和客户化定制方案，可以针对客户进行定制化的解决方案，把工程师从繁杂的仿真分析工作中解放处理，集中精力处理难度更高的问题。
同样，控制器详细仿真分析及优化又需要细分为：控制器信号完整性仿真分析、控制器电磁兼容仿真分析和控制器电子散热仿真分析，以及单学科性能参数的优化和多学科综合性能指标的优化。
表 1 推荐的CAE解决方案
CAE解决方案 | CAE需求（解决问题） |
DesignModeler/SpaceClaimDirectModeler | 几何模型创建与修改 |
Meshing/ICEM CFD | 网格划分 |
Simplore、Maxwell | 电机的电磁场分析 |
Mechanical | 电机的强度/刚度分析、振动与冲击分析 |
nCode Designlife | 电机寿命与安全仿真分析 |
Flownex、Fluent/CFX | 电机的温升与散热仿真分析及管路流动分析、噪声分析 |
MBD for ANSYS | 电机的机构运动分析 |
Optislang | 电机的优化分析 |
Deform | 部件的加工工艺分析 |
二次开发与客户化定制 | 专业化、客户化定制定制，计算模板设计 |
广州安世亚太高级工程师黄晶，将在7月28日第九届（深圳）微电机驱动与控制技术暨微电机自动化生产与磁材应用研讨会上，做“ANSYS软件在电机设计应用中的最新进展”的主题报告。欢迎读者朋友到现场参会交流讨论，ANSYS和安世亚太展位上有专业工程师提供技术咨询服务。
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