现代电机的开发与设计正从磁路法设计步入电磁场设计分析时代，这对加速开发过程、降低开发成本、提高产品质量等方面起到了积极的推动作用，但同时电磁场分析软件的普及也对广大工程人员提出了更高的技术要求。本文提出了一键设计的电机自动设计概念，以最大程度地降低电磁场设计对工程师的技术要求，为中国电机设计工程师提供新的选择。 随着电机工业的发展和应用领域的扩大，电机设计也步入了新的阶段，表现为对于电机设计精度、设计周期和设计成本有了越来越高的要求。传统基于磁路法的电机设计方法由于把电磁场的问题简化为磁路的问题进行电机设计，必然从精度上满足不了现代电机设计的要求，同时企业也不可避免地陷入样机试制与测试的繁琐流程。目前电磁场分析方法的引入极大地丰富了电机设计的概念和内涵，通过有限元分析手段解决了电机设计的本质-电磁场问题，使得设计人员以最短的周期设计出性能最好的产品成为可能。但专业的电磁分析软件对设计人员要求高、价格昂贵，无法在广大电机企业特别是具有极强创新需求的中小型电机企业普及应用，必须研究新的电机设计概念与思路以迅速帮助大量电机企业提高技术层次和产品竞争力，从而提高企业的产品附加值和利润。 图1：电磁场分析软件解决流程。 杭州易泰达科技有限公司研究了电机设计的最新发展动向，提出了一键设计(Push Button Design)的电机设计新概念，提供了新的设计概念和思路。 现代电机设计的技术背景 目前我国大部分电机企业每年生产大量的中小型电机并远销国内外，但实际上在高产量背后是低利润的尴尬境地，究其原因是产品技术含量低、企业技术层次低，如何有效快速地提高电机产品的设计研发能力，以实现从世界工厂到创新中心的革新，从而为企业的发展提供更强大的动力，这是每个电机企业所面临的普遍问题。 目前一些电机企业也逐步意识到电磁分析软件的重要性，也采用ANSOFT、ANSYS等电磁场分析软件进行电机设计分析，然而这些软件的应用不仅要求设计人员具备电机专业知识，而且还要求设计人员具有一定的有限元基础。即便如此，设计人员也不得不进行繁琐的操作和计算。图1为电磁场分析软件采用的解决流程，可见该流程相当繁琐，设计人员必须掌握有限元分析的专业知识，并且这些电磁场分析软件并非专用的电机设计分析软件，与企业的实际生产不能有效结合，这些都限制了电磁分析软件在企业中的应用 市场的发展决定了技术企业化是企业生存和发展的必然选择，即电机企业都希望设计电机研发技术是属于企业而并非专家所有的，这就对电磁分析软件和设计流程有了更高的需求。首先该软件技术门槛低，从而降低对设计人员的技术依赖；其次希望通过先进的电机设计软件和流程把设计知识固化，从而最大程度降低技术人员流动对企业研发的影响。 电磁场分析是电机技术发展的必然选择，但繁琐的流程和专业的有限元知识对广大工程设计人员提出了挑战，这也是我国电机行业面临的一大技术难题。 图2：一键设计概念示意图。 一键设计概念的电机自动设计分析平台 要解决目前出现的电磁分析软件在电机企业应用的难题，必须采用先进的解决概念和流程。目前先进的电机电磁软件解决方案为磁路分析+电磁分析软件的组合，这一方面利用磁路分析简洁快速的优点，通过参数化分析和优化设计等手段迅速帮助设计人员缩小求解区间，得到电机设计初步方案；另一方面利用电磁分析软件精度高的优点，对于磁路设计的初步方案进行高精度有限元分析，同时可实现电机在任意工况下的性能测试，如空载、过载、额定负载下的性能分析，设计人员可实现精确的电机设计样机性能预测和把握，从而最大程度减小样机试制与测试次数，提高设计效率。这方面的典型代表为ANSOFT公司的RMxprt+Maxwell 2D/3D软件、magsoft及其兄弟公司的Speed+Flux 2D/3D，而ANSYS软件由于缺乏前端磁路设计软件，实现电机设计分析的完整流程相对难度更大。但这些软件操作繁琐(图1)、对技术人员要求高、价格昂贵，这些都使得国内电机企业望而却步，同时作为国外软件与国内电机厂商的实际生产缺乏紧密联系。 杭州易泰达科技有限公司的电机设计技术专家在总结电机设计流程和国外电磁分析软件的基础上，提出了一键设计的电机设计新概念。图2为基于该设计概念的电机设计流程与目前电磁场分析软件设计流程的对比图。图中可见，目前商用有限元电磁场分析软件解决电机设计分析问题的步骤相当繁琐，并且由于这些软件并非面向电机设计的专用软件，所以为了得到电机的性能曲线，如机械特性曲线，往往要经过多次迭代运算才可实现电机性能的完整分析。而在一键设计设计概念中，通过内嵌的自适应网格剖分模块和集成的电机分析模块，设计人员只需根据设计指标和要求点击相应的按键，软件即可自动帮助设计人员完成电磁场分析和电机优化设计，这一先进的设计理念完全摒弃了目前电磁分析软件的繁琐解决流程，在自动完成电机电磁分析的同时极大的提高设计人员的设计效率。 图3：Easi Motor Flow 软件界面。 基于一键设计概念推出的电机自动设计分析平台—Easi Motor Flow，图3所示为软件流程化的设计界面。Easi Motor Flow针对电机设计提供了磁路设计+有限元磁场分析的完整解决流程和高效设计思路，其多层次求解平台如图4所示。Easi Motor Flow的特点可表示为以下几点： 高效。提供电机设计完整的解决流程，包括电机设计、电磁分析、运行测试及各种工况下的性能分析，还可提供瞬态试验结果(包括空载试验、负载试验、堵转试验等)、气隙磁密以及各种电磁场结果(磁力线分布和磁密分布)。图5为Easi Motor Flow分析三相感应电机额定负载下起动时电机性能曲线和磁场分布图。 图4：Easi Motor Flow多层次求解平台。 图5：电机负载起动试验。 图6：有限元网格剖分和分析结果。 精确。基于有限元电磁场的电机性能分析，完全满足工程计算精度需求，减少设计周期和成本。图6为软件内嵌的网格剖分模块及有限元分析结果。 与实际生产相关。针对国内电机企业，Easi Motor Flow可直接生成电机性能计算报表、生产所需的图纸、绕组连接图等，从而实现电机企业设计与生产的无缝连接。 技术门槛低。设计人员经过简单的培训既可操作，最大程度降低对设计专家的依赖，实现技术企业化。简单易用的软件平台极大地减少了企业的培训周期和成本，设计人员可迅速掌握软件的使用，并使其尽快融入企业研发与生产环节中。 作者：陆天雄 开发经理 Email: lutx@easi-tech.com 杭州易泰达科技有限公司
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