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                      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;但同時涉及到産品設計研發周期、生産周期縮短,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、轉速範圍寬、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産商、科研機構及高校廣泛使用,能夠滿足市場用戶的需求。作爲國際上應用及影響範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 模块组成


                       Motor-CAD EMag
                      該模塊爲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:
                      ? 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雲圖。
                      ? 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。


                       不同種類電機的輸入界面


                      電磁計算結果


                       Motor-CAD可以設置爲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爲,能夠獲知主要的熱傳遞路徑和時機,從而顯著提高輸出。允許多次叠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、冷却方式參數化、優化温升计算。


                       支持電機的冷卻方式:
                      ? 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。


                       電機的熱模擬可能具有挑戰性,因爲制造方面對熱行爲的影響顯著。因此熱模塊考慮到了影響溫升的制造方面不確定性例子:
                      ? 定子与机壳接触界面良好
                      ? 绕组如何浸渍或封装


                       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
                       

                      溫度分布雲圖和瞬態求解曲線


                       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。


                      轉子沖片應力分布雲圖
                       

                      電機三維模型視圖

                      軟件優勢

                      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。
                      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爲電機設計量身定制,優化了有限元程序,采用高效的彙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支持參數化模型与參數化设置,參數化设计,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模块或者第三方優化软件进行灵敏度分析和優化分析。優化设计快速方便

                      熱設計
                      Motor-CAD是专业电机熱設計软件,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。

                      自動後處理
                      Motor-CAD計算完畢,無需進行後處理操作,曲線、雲圖、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,並考慮集成控制策略。

                      快速高效+易用
                      Motor-CAD硬件要求低,無需工作站;
                      不限制核數,支持多核並行;
                      MAP圖(5分鍾)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
                      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,可以對産品進行更爲精確的求解計算。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,得到更爲完整詳細精確的數據結果。


                      Motor-CAD & Ansys组合设计流程

                      Motor-CAD模型導入到Workbench中

                      典型應用

                      Motor-CAD应用领域:新能源汽車與軌道車輛、船舶、航空航天與國防、家用电器、通用機械、可再生能源、工业应用等领域。


                       新能源汽車與軌道車輛、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參數化设计对电机的重点设计指标进行合理優化,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、優化和确定非常有帮助。

                       

                      圖特斯拉電動汽車驅動電機

                      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。汽車行業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汽車輔助設備電機


                      航空航天與國防
                      爲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


                      工业应用与通用機械
                      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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