电机多物理场仿真方案

电机多物理场仿真方案

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电机作为一种典型的电气机械设备，其性能取决于电磁场、机械结构和热特性之间的复杂耦合关系。为了深入理解电机的工作原理及性能，通常需要采用数值仿真方法进行多物理场分析。本文将从电机电磁场仿真、电机结构力学仿真、电机热仿真三个方面进行讨论，并介绍电机多物理场耦合仿真的应用。

电机的多物理场耦合仿真主要包括以下几个方面：

1. 电机电磁场仿真
2. 电机结构力学仿真
3. 电机热仿真
4. 电机控制系统策略及运行系统分析
5. 多场耦合应用：
   · 电磁-热耦合
   · 电磁-结构力学&NVH耦合
   · 电磁-系统控制耦合
   · 流固&热固耦合

电机多物理场仿真

1. 电机电磁场仿真

电机的电磁场仿真分析主要研究电机内部的磁场分布及动态变化，以及由此产生的电磁力和电磁矩。主要分析内容如下:

• 电机空间磁密分布、气隙磁密分布：通过建立电机电磁场仿真模型,可以获取定子和转子齿槽中的三维磁密分布，为电机设计提供参考。
• 电机瞬态磁场计算
• 电机动态磁场效应：电机启动和负载变化时，磁场与电流场的动态耦合关系，可通过时域仿真研究电机的动态特性。
• 绕组阻抗参数提取：通过仿真可得到绕组的电感和电阻，为电机性能计算及控制系统设计提供参数。
• 电机能量损耗分析：铁损、铜损和涡流损耗的计算，分析其损耗的能量与输入能量的比例关系，从而反映电机能量转换效率情况。
• 电机电磁力/力矩计算：通过仿真计算电机定子和转子上各部件所受的电磁力，以及转子所受的驱动力矩，从而为电机的设计提供依据。

电机电磁损耗空间分布结果输出

2. 电机结构力学仿真

电机工作期间会受到各种载荷和激励的作用，这就要求其结构具有足够的机械强度及疲劳性能。电机结构力学仿真主要研究电机定子和转子等部件的力学性能，包括应力/应变分布、模态、动力学响应、NVH、疲劳分析等。

• 应力分析及结构优化：在电磁力的作用下,定子和转子会产生不同程度的应力和变形，通过仿真对电机定转子冲片进行强度分析，并基于强度分析结果进行结构形状优化分析。
• 转子动力学、临界转速：转子在电磁力矩驱动下会旋转运动，通过结构仿真可以研究转子的动力学响应和稳定性，确定临界转速范围。
• 机械振动：电机工作时，定子和转子会在电磁力的激励下产生振动，应用模态分析和动力学分析可以研究电机的振动特性和减振措施。

电机结构模态及电磁力频响分析

• 转轴扰度、强度计算：电机转轴承受转子和外载荷的组合力，结构仿真可以分析其应力分布和变形，评估轴承荷载能力及寿命。
• 电机装配：不同部件的装配公差和预紧力会影响电机性能，应用结构仿真可以分析部件的配合和扭矩-预紧力关系，指导电机装配工艺。
• 疲劳分析：基于结构仿真得到的应力应变数据,可以进行疲劳分析来评估电机部件的疲劳寿命,为生产和维护提供参考。

动态载荷下的电机疲劳分析

3. 电机热仿真

电机工作时会产生较大的损耗热，如果不能及时散出，会导致温升过高而影响电机性能。电机热仿真可以研究电机内部的温度场分布、热量传导，为电机的散热设计提供理论依据。

• 电机结构温升：在给定的损耗热和边界条件下，可以研究电机各部件的温度分布，为温度限值的把握和热设计优化提供参考。

基于Flux软件的电机热传导分析

• 流体散热分析：通过模拟仿真电机流道内的流体运动情况，以及整个系统内的传导、辐射、对流的综合热传递效应，包括风冷、液冷以及自然对流冷却系统，进行油冷电机的飞溅冷却分析。

电机流体散热分析

4. 电机多物理场耦合仿真

电机是一个复杂的电磁-热-结构相互耦合系统，其性能取决于三种物理场之间的相互作用。因此，实现电机的精确仿真分析和性能优化设计，需要采用多物理场耦合的仿真方法。主要耦合关系和分析内容如下:

电机多物理场仿真分析

• 电磁-结构应力变形分析：在电磁力作用下，电机定子和转子会产生应力应变，而其结构的变形又会放过来影响其电磁性能，两种物理场之间存在双向耦合。通过仿真分析电磁力对结构的影响，指导电机的强度设计。
• 电磁-结构振动分析：电磁力会驱动电机结构产生振动响应，多物理场耦合仿真可以研究两种物理场的相互作用机制，实现电机的减振设计。
• 电磁-温升散热分析：电磁损耗会以热量形式在电机内释放并导致温升，两种物理场之间存在热动力学耦合关系。多物理场仿真可以精确预测电机的温升特性和散热情况，实现对电机温度的准确控制。
• 热-结构应力变形分析：温度场会引起热应力和热变形，改变电机结构的力学响应。热-结构耦合分析可以研究温度变化对结构整体性能的影响。
• 结构振动-噪声分析：电机机械振动会激发空气中的噪声，两种现象之间存在振动-声学耦合关系。应用多场耦合仿真方法可以预测电机的振动噪声水平及其传播规律。
• 气动-噪声分析：电机内部的流体流动也会产生流动噪声，流体动力学现象与声学场也存在耦合作用。联合仿真可以研究风冷电机的气动噪声及其控制方法。

电机多物理场耦合仿真能够全面深入地研究电机的工作原理和性能特性，实现对电机的优化设计与分析。随着计算机技术的发展，多物理场耦合仿真必将成为电机设计中的重要手段。