电机仿真设计经验分享

本人从事电机设计工作已经有8年,在小厂和大厂都做过,发现中小型电机行业的弊端是经验论流行,设计师普遍老龄化,创造性不足,有夕阳产业的特征。

电机行业电机本体设计偏向机械设计,容易仿制,所以小公司到处开花,仿制大公司的研发成果,使电机行业对电机创新研发投入激情不足。在加之电机电磁理论和绕线理论较为复杂,但是应用相对简单,产生的效果是电机本体仿制比全新研发更为经济快速。在电机设计师普遍年龄老化的情况下,设计师学习动力不足,更信赖于经验设计。更主要的是在不增加成本的情况下对电机的提升都不是非常明显,这些都导致电机行业对新品研发动力不足。

但是,电机的市场前景是巨大的,在世界普遍采用更高效更清洁更容易控制的电能的情况下,电机在今后的社会发展中能发挥的作用越来越大。这就对电机的性能提升要求会越来越高,哪怕只是细微的提升,也能发挥巨大的作用。在信息化智能化时代,电机不再是简单的电能转化为机械能装置,而是动力控制系统,电机性能不再时简单的单电机性能,而是动力控制系统性能,控制系统解决方案是今后电机的主流方向。

电机的发展方向为控制系统和电机本体的系统解决方案。单独电机本体容易被仿真,但是控制系统就不容易仿真,非常有研发创新投入后升值的潜力,特别是当控制系统和电机联合起来一起研发时,可以产生不可替代性的优势。

这时的系统解决方案就不是传统的经验计算,磁路计算方法可以满足的,这对设计师提出更高的要求,要联合控制系统和电机本体设计,需要多个场计算融合到一起进行详细的数值综合分析。在复杂的控制系统和电机本体的联合设计中,我们唯一可以依赖的就是数学,依靠数学建立对应的模型,从这模型中分析系统性能。而仿真就是专业化的数学模型。

做电机设计时,我们经常遇到的问题是电机的公式描述太过抽象,电磁反应和电机旋转在三维空间和时间里相互作用,空间向量和时间矢量过多,不容易理解。往往只能死记硬背公式而不知对应的物理意义,物理现象。但是仿真软件是电机理论和实践的综合融合,从仿真软件去学电机,就如同有一位数学大家、物理大家、电机本体理论大师、电机控制理论大师、电机控制器大师和电机工业实践专精的多元融合大师在指导,而这在现实中是不可能存在的。所以仿真软件即是工业设计工具,也是最好的电机设计指导书。

目前国内的仿真软件使用情况是,由于国外软件价格高,大部分公司采用盗版,国内仿真软件价格较优惠,但是普及不大(没盗版流行),倒是有云计算版本。电机仿真的从业人员大部分都是自己摸索,没有系统的培训(官方培训价格较高,推广类培训内容浅显,商业化培训有人在做,我知道的就是浙江这边好多,主要靠微信公众号推广),但是我个人认为仿真软件是商业化软件,商业化软件的目的就是容易上手容易推广,软件的说明详细充分,所以在解决语言障碍后,其实所有的仿真软件是自带教程和说明的,这些资料已经足够用了,当然需要其他资料做辅助,更容易学习上手的看个人情况。

目前的电机仿真软件国内的就只有一家,为浙江的EASIMOTOR,国外的为美国的ANSYS(MAXWELL,ANSYS-MOTORCAD) ,FLUX,日本的JMAG,英国的MOTORCAD,其他的还有但没用过,有需要的自己搜索。

每款软件有自己的风格,但我归类为两大方向风格:

风格一:MOTORCAD,ANSYS-MOTORCAD,EASIMOTOR 这三款电机仿真软件专门针对的是电机工业设计应用的,目的是为了提供一种高效、快速、容易上手的电机有限元仿真设计软件,这些软件有模板化设计模块也允许工程师在模块基础上微调形状,这三款在我看来是目前最适用的电机仿真软件。

风格二:ANSYS MAXWELL,FLUX,JMAG这三款讲究的是通用性,不仅仅专门针对电机,而是提供电磁有限元分析平台,针对性不强,适合做学术研究方向(严重怀疑电机种类是已有电机模型的学术研究的原创性和研究价值)。但是就工业应用而言,这些软件还是提供对应便捷入口,提高效率。

在信息化时代,我们作为工程师,要顺应时代的特征,做出相应的调整适应,知识的爆炸性积累和信息传递存储的便捷性,已经使得我们不需要再死记硬背了,我们需要的是理解,了解各种物质事物的根源、本质、现象和发展趋势,从而充分地利用物质事物的特性来实现我们的目的。要善于使用和学会快速掌握各种工具,积累的经验要勇于分享交流,才能不断地做出改进。竞争是全方面的,国家之间的竞争压力需要我们来承担,国内在明显滞后国外二三十年发展的情况下还进行信息封闭更让我们落后。只有充分的信息公开、交流、修正才能加快发展速度,缩小差距。

现在的仿真软件由于语言障碍和缺乏交流,导致很多工程师的时间浪费在这里了,我们工程师更应该不断的学习了解电机设计的相关理论性知识、最新行业资讯、新材料新技术和论文,而不是将大部分时间花在学习仿真软件的使用上,作为商业化仿真软件,让仿真软件更容易使用是软件厂家的职责,而我们的工作是快速上手,将软件的作用发挥出来。

一、这里分享下用MOTORCAD 或 ANSYS MOTORCAD的单相无刷直流电机建模经验,目前还没有人发布过这方面的用法,或者已经有人发现但没有公开或分享。

在MOTORCAD 或 ANSYS MOTORCAD中没有现成的单相无刷直流电机模板,但是我们可以从无刷直流电机模块入口进入设置,需要做出的改变为:

1、极数槽数设置为4/4,6/6,8/8等,相应的其他磁场根据自己需要设置;

2、绕线布局设置为单相,可以自定义也可以自行配置;

3、控制类型设置为自定义,然后在控制电流波形中通过基波和谐波合成为控制波形;

4、通过图形导入功能导入单相无刷直流电机定子形状,在电磁分析模块设置其为分析图形。

这样设置后就可以运行计算了,这两款仿真软件的作用是可以将电磁仿真、热仿真、控制仿真、机械仿真耦合起来提供一种便捷又全面的仿真工具。

二、分享下ANSYS MAXWELL的快速仿真经验,MAXWELL的仿真痛点是图形导入、图形导入后的材料配置、边界设置、激励源设置、初始角度、计算时长和网格划分。

这些其实可以以一定手段规避,通过RMXPRT或最新版本的MAXWELL导入模板可以完成以上大部分工作,然后在需要改动部分通过导入autocad或SOLIDWORDS的图形,进行修正,其他的依葫芦画瓢就可以完成建模。

至于不可避免的从无到有的建模,可以参考从RMXPRT导入到MAXWELL的模型。

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