简单机械创新设计案例（电机方案的设计与仿真）

一、电机设计的基本流程：

电机设计涉及到电、磁、力、热等多学科，在整个电机设计过程中电磁设计、结构分析和通风散热分析是最重要的三部分。除此之外，需要对电机做相应的震动、噪声和疲劳分析等。

二、电磁设计与分析

电机设计中有一种通俗的说法叫“三分电七分机械”，但是电机设计的核心却是这“三分电”。电机设计的首要任务就是根据电机性能指标和运行条件计算得到相应的电磁方案。一直以来电磁方案的设计都是以磁路法为主，由于电磁场问题是一个典型的非线性问题，磁路法通常很难满足电机设计的精度，随着计算机技术的迅猛发展，工程师开始使用电磁场有限元分析技术来校核磁路设计的方案。并进一步形成以电磁场有限元分析技术主导的电机设计和分析新方法。电机电磁有限元分析通常包括以下几部分：

1. 电机模型建立

电机有限元模型

电机模型部分主要包括参与电磁传导的材料、例如冲片、磁钢、漆包线以及导条等。几何模型的建立可以通过cad图纸的导入或者参数化建模功能实现。

2.材料的赋值与边界条件的添加

材料赋值包括冲片的磁化曲线、铁耗曲线、磁钢的退磁曲线或者矫顽力剩磁、漆包线以及导条端环材料的电导率等。另外需要根据实际电机的特点设计槽楔、护套以及转轴等部件的电磁参数。

冲片磁化曲线

边界条件主要用于划定有限元求解的区域或者标定有限元求解区域的对称性等特殊设定，以减小求解时间。

主从边界条件示例

3.激励源的添加

电机仿真中的激励源主要有绕组电压激励源，电流激励源等选项。需要根据实际仿真的工况加以选择。在增加激励源之前需要根据实际的绕组分布以及线圈参数对绕组进行设定。

电流激励源

电压激励源

4.模型剖分

剖分网格

5.结果后处理

转矩曲线示意

三相电流曲线

铁耗曲线

磁密分布云图

磁力线分布云图

三、电机方案设计分析点

1.单相/三相/感应电动机设计分析(鼠笼式和绕线式）

2.永磁无刷直流电机设计与分析（方波控制，PWM调速）

3.变频永磁同步电机设计与分析（Id=0/最大转矩电流比/FOC）

4.自起动永磁同步电动机设计分析

5.直流有刷电机设计分析（绕线式，永磁式）

6.电励磁同步电动（发电）机设计分析(凸极式，隐极式）

7.同步电机励磁机设计分析

8.双馈发电机（电动机）设计分析

9.开关磁阻电机设计分析

四 电机热分析案例

分析结果温度分布某潜油永磁同步电机三维温度场分析

通过有限元分析法对额定工况下运行的电机内部温度场进行仿真和分析，从而获得电机内部的稳态温升情况，校核电机电磁设计方案的合理性。

潜油永磁同步电机内部为密闭结构，电机内充满了矿物润滑油。电机内部各部分损耗转化的热量主要通过热传导方式传到机壳表面，井液在机壳表面与套管之间流动，机壳

与井液以对流方式进行换热。

图1-1 气隙油浴等效导热系数求解模型

图1-2 气隙油浴的速度矢量

当初始井底温度为100℃，即373.15K，电机额定工况温度场分布如图1-3。

（a）电机轴向截面温度场分布(X:Y:Z=17:17:1)

（b）电机不同轴向位置上径向截面温度场分布

图1-3 电机内部温度场分布图

仿真结果可以看出，最高温度出现在电机扶正轴承处为444K，定子绕组内部温度最高温度高为387K，温升为14-15K。

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