Motor-CAD?基于多物理場的快速電...

概述

電機設計需要考慮電磁性能和溫升性能,包括機械設計等多物理場性能;但同時涉及到產品設計研發周期、生產周期縮短,時間成本降低等剛性需求。同時市場也需要電機具有效率高、轉速范圍寬、體積小、重量輕、功率密度大、成本低等優點,因此電機設計研發中,尋求一款匹配的、快速的基于多物理場耦合考慮的電機設計研發軟件是整個工作首要解決的問題。

Motor-CAD是電機電磁、熱及磁熱互耦設計軟件,用于電機的電磁特性和熱特性進行優化設計。開發至今,已被全球主要的電機生產商、科研機構及高校廣泛使用,能夠滿足市場用戶的需求。作為國際上應用及影響范圍廣泛的電機電磁熱設計軟件,Motor-CAD集成了磁路法、熱路法、熱網絡法、有限元分析法、智能優化算法,20年積累的豐富電磁熱計算經驗數據,有效提升了不同種類、不同冷卻型式電機電磁與熱計算精度。

Motor-CAD開發者MDL公司是全球領先的電機設計軟件開發商,1998年成立至今,一直致力于先進電機設計軟件的開發。

功能模塊

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、機械性能測試。軟件包括:電磁(E-Magnetic)、熱(Thermal)、機械(Mechanical)、優化(OPT)和虛擬實驗室(Lab)五大模塊,可快速精確評估電磁、熱和機械特性。

Motor-CAD 模塊組成


 Motor-CAD EMag
該模塊為計算電機的電磁性能方面數據,涵蓋所有典型類型的徑向磁通旋轉電機:
? 無刷永磁電機(內外轉子)
? 感應電機
? 同步磁阻電機
? 開關磁阻電機
? 同步繞線勵磁電機
? 永磁直流電機
? 單相感應電機


 支持輸入電機各個參數和幾何結構的數據,解析計算與數值分析模擬技術相結合,采用有限元計算方法,可以計算電機的電氣和電磁性能,得到相應的數據和場量云圖。
? 電機磁密、磁力線、電流密度、渦電流密度云圖計算;
? 多頻率銅損、鐵損、磁滯損耗、渦流損耗計算;
? 齒槽轉矩、端電壓、反電勢、轉速功率、轉矩轉速及FFT分解;
? 工作點效率、轉矩波動、平均轉矩、轉矩波動比、最大轉速、功率因數、功率因數角、負載角計算;
? 溫度退磁、電樞退磁分析、堵轉轉矩、堵轉電流計算;
? 轉子轉動慣量、轉軸轉動慣量、總轉動慣量、轉矩密度計算;
? 相電壓、相電流、DQ軸電壓電流矢量圖、自感、互感、DQ電感計算。


 不同種類電機的輸入界面


電磁計算結果


 Motor-CAD可以設置為求解和熱模型耦合計算,直到達到收斂。


電磁熱耦合計算設置


 Motor-CAD Therm
Motor-CAD Therm采用熱阻網絡法,根據電機結構模型數據和材料性能,自動計算出電機模型中的所有熱阻和熱容。用戶不需要熟悉復雜的傳熱現象,自動選擇并解決給定表面和所選冷卻類型的適公式。它具有高效、準確和強大的數學算法,用于強制和自然對流、液體冷卻、輻射和傳導。


該軟件用于優化各種電機類型和冷卻方法。自動生成熱網路和風路,能夠在數秒內精確模擬熱行為,能夠獲知主要的熱傳遞路徑和時機,從而顯著提高輸出。允許多次迭代和充分探索設計空間,以及電磁分析;確保理想設計決策。計算穩態和瞬態運行條件下電機各部件的溫度。
? 空載、額定、短路、循環工況溫升計算;
? 各部分耗散熱量分布計算;
? 各部件熱容、熱阻、對流換熱系數計算;
? 結構、材料特性、冷卻方式參數化、優化溫升計算。


 支持電機的冷卻方式:
? 強迫通風、自通風、
? 機座水冷、油冷、轉軸水道、
? 濕轉子、噴嘴噴油、定子、轉子槽水冷、潛水冷卻等多種冷卻方式。


 電機的熱模擬可能具有挑戰性,因為制造方面對熱行為的影響顯著。因此熱模塊考慮到了影響溫升的制造方面不確定性例子:
? 定子與機殼接觸界面良好
? 繞組如何浸漬或封裝


 用戶可以根據軟件中附帶的相關經驗,選擇適當的數值計及到熱計算中,提高熱計算的精確度。


計及影響溫升計算的制造方面因素


風路和熱阻網絡
 

溫度分布云圖和瞬態求解曲線


 Motor-CAD Lab
Motor-CAD Lab使工程師可以快速地創建效率map圖,繪制扭矩/速度特性,研究連續和峰值熱約束運行包絡,并分析驅動周期循環性能。該方法速度快,使用方便,并經實驗驗證。


 Motor-CADLab具有直觀的用戶界面,數據以簡單的格式生成,可以輕松導出到Matlab、Microsoft Excel和其他應用程序。可以生成各種各樣的圖形,并支持多種出版輸出格式。
? 效率和損耗map圖
? 峰值轉矩/轉速曲線
? 連續轉矩/轉速曲線
? 開路和短路試驗
? DQ電感曲線計算
? 多工況銅損、鐵損、永磁體渦流損耗計算


 效率map圖以轉矩/轉速曲線


  Motor-CAD Mechanical
提供一個快速的二維有限元模塊,用于精確的轉子應力分析預測,還提供電機設計的三維視圖。


轉子沖片應力分布云圖
 

電機三維模型視圖

軟件優勢

Motor-CAD 具有足夠的核心競爭力,相比于現有市面上能夠看見的商業化電機設計或分析軟件,具有下面10大核心競爭優勢,是電機行業和設計研發革命性劃時代的產品。
專業化電機設計軟件
專業化的電機設計軟件,只專注于電機設計,具有豐富的電機類型

 

多物理場設計
Motor-CAD具備電磁、熱、Lab、機械模塊。可同時對電機電磁、熱進行優化設計。

解析法有限元混合+快速有限元技術
Motor-CAD整個程序框架完全是為電機設計量身定制,優化了有限元程序,采用高效的匯編語言撰寫有限元核心算法,極大的提高了計算效率,是傳統有限元軟件計算效率的數倍到數十倍。磁路法、熱路法、熱網絡法、有限元分析法、智能優化算法混合算法。自動剖分網格,設置邊界和自動加密網格,周期陣列。

參數化+優化
Motor-CAD支持參數化模型與參數化設置,參數化設計,選項卡式操作和自動構建3D模型,并支持參數相關性分析,采用OPT模塊或者第三方優化軟件進行靈敏度分析和優化分析。優化設計快速方便

熱設計
Motor-CAD是專業電機熱設計軟件,包含穩態+瞬態熱計算,耦合電磁計算功能,內置豐富的冷卻結構,復雜的冷卻方式,能夠極高提高計算效率(數秒到數分鐘),同時包含熱路+有限元方法,自動構建熱網絡,集成工藝系數考慮對熱結果的修正。

自動后處理
Motor-CAD計算完畢,無需進行后處理操作,曲線、云圖、報表自動化輸出

虛擬實驗室LAB
Motor-CAD可以方便的對整車參數輸入,進行路況圖譜計算。包括效率Map,DQ電感曲線,峰值轉矩轉速,額定轉矩轉速計算。可以考慮電機+發電機,并考慮集成控制策略。

快速高效+易用
Motor-CAD硬件要求低,無需工作站;
不限制核數,支持多核并行;
MAP圖(5分鐘)筆記本電腦;
計算速度非常快,效率高;
操作簡單,易上手;
中英文自由切換;
多個題目同時計算;
輕量化軟件

精度高
無論從核心算法,還是主要設計影響因素,甚至考慮到生產制造過程中的各種因素對實際性能的影響。因此Motor-CAD 的電磁、散熱、效率&功率Map等結果,和試驗相比,有非常高的精度,完全滿足和涵蓋工程要求,尤其是產品概念設計階段和初步設計階段。

可與多種電機相關軟件進行耦合計算
Motor-CAD可以和多種軟件進行耦合計算,可以對產品進行更為精確的求解計算。包括可以和ANSYS、OptisLang、Romax、GT-Suite、MATLAB等軟件進行耦合計算。尤其是在ANSYS中,可以和Maxwell、Fluent、Mechanical、Simploer對電機進行電磁、溫升、機械以及系統方面的耦合計算,得到更為完整詳細精確的數據結果。


Motor-CAD & Ansys組合設計流程

Motor-CAD模型導入到Workbench中

典型應用

Motor-CAD應用領域:新能源汽車與軌道車輛、船舶、航空航天與國防、家用電器、通用機械、可再生能源、工業應用等領域。


 新能源汽車與軌道車輛、船舶
主要用于新能源汽車的動力驅動系統、動力轉向、電機運動等方面。基本滿足市場上所常見的電機類型。在軌道車輛方面為應用于機車牽引、制動等方面。比較典型的就是特斯拉利用Motor-CAD對電機設計方案進行快速評估,進而通過場路耦合和參數化設計對電機的重點設計指標進行合理優化,Motor-CAD相較于傳統的FEA仿真,具有場路耦合時間短和精確度較高的優勢,對于特斯拉方案提出、優化和確定非常有幫助。

 

圖特斯拉電動汽車驅動電機

Motor-CAD比較經典的新能源汽車案例還有豐田普銳斯2010 款,Nissan Leaf,BMW i3等車型的電機設計。汽車行業不僅僅是新能源汽車,包括常規汽車的輔助用電機,也充分利用Motor-CAD進行設計,如EquipMake利用Motor-CAD設計高速渦輪永磁發電機。

 EquipMake汽車輔助設備電機


航空航天與國防
為航空航天和國防行業提供其所需要的電機。從電動執行機構到電制動系統,Motor-CAD應用廣泛,可以滿足其設計的可靠性、尺寸和重量要求。下面是直升機尾部螺旋槳驅動電機。

 

直升機尾部螺旋槳驅動電機


工業應用與通用機械
應用于各種工業動力應用領域,如各種風機、潛水泵、密封壓縮機和輸送系統等方面。下面是工業電機做為通用傳動設備采用Motor-CAD進行設計分析優化。

 

傳送系統方面


可再生能源
應用于各種可再生能源應用,如風力發電和潮汐發電領域,其主要要求是該電機具有良好的可靠性、高效率和滿足一定的尺寸要求。

 

 風力發電機


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