【嗶哥嗶特導(dǎo)讀】隨著新材料的應(yīng)用和新技術(shù)的迭代，BLDC電機(jī)將實(shí)現(xiàn)質(zhì)優(yōu)價(jià)低的突破，未來也將走向更廣泛的應(yīng)用場景。 

　　BLDC是典型的機(jī)電一體化類電機(jī)，其設(shè)計(jì)過程是一個(gè)復(fù)雜的多學(xué)科綜合問題，它涉及電磁、結(jié)構(gòu)、流體、溫度和控制等多個(gè)領(lǐng)域。隨著新材料、新工藝以及各種電機(jī)新技術(shù)的發(fā)展，BLDC電機(jī)設(shè)計(jì)的要求越來越苛刻，精度要求也越來越高，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和手段已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)的要求，必須借助于現(xiàn)代仿真技術(shù)才能解決各種設(shè)計(jì)難題。 

　　針對電機(jī)永磁化、高速化、無刷化、數(shù)字化、集成化、智能化、高效節(jié)能化的發(fā)展趨勢和相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)，安似科技(上海)有限公司(以下簡稱“Ansys”)能提供集成化設(shè)計(jì)解決方案和流程，高效實(shí)現(xiàn)電機(jī)從磁路法到有限元、從部件到系統(tǒng)、從電磁到多物理場耦合的多領(lǐng)域、多層次、

        成化電機(jī)及驅(qū)動(dòng)/控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　 圖1：3DMotorFlux 

 　   據(jù)了解，Ansys集成化電機(jī)設(shè)計(jì)流程主要包括： 

       1.電機(jī)快速設(shè)計(jì)和方案優(yōu)選：采用電機(jī)磁路法設(shè)計(jì)工具RMxprt和電機(jī)多學(xué)科快速設(shè)計(jì)工具Ansys & Motor-CAD，快速實(shí)現(xiàn)電機(jī)的初始方案評估和優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮小電機(jī)的設(shè)計(jì)空間，并一鍵輸出電機(jī)二維或三維有限元模型以及電機(jī)的系統(tǒng)仿真模型備用;　

       2.電機(jī)電磁場有限元精確優(yōu)化設(shè)計(jì)：采用Maxwell二維或三維電磁場有限元仿真，并結(jié)合內(nèi)置外電路或Simplorer控制電路，對電機(jī)有限元模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)優(yōu)化，并輸出等效電路模型備用;　

      3.電機(jī)電磁、熱耦合分析：采用Maxwell輸出電機(jī)的幾何模型和分布式損耗到Mechanical或FLUENT等工具中，進(jìn)行電機(jī)溫度場仿真，實(shí)現(xiàn)電磁、熱單/雙向耦合分析，預(yù)測電機(jī)在各種工況下的溫升并優(yōu)化散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì);

　   4.電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)：在電機(jī)初始設(shè)計(jì)階段，采用Motor-CAD與專業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)工具Ansys optiSLang進(jìn)行多學(xué)科快速綜合優(yōu)化;在電機(jī)高精度設(shè)計(jì)階段，采用Maxwell與optiSLang、DesignXplorer相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)包括電機(jī)電磁性能、NVH、散熱設(shè)計(jì)在內(nèi)的多物理場綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　5.電機(jī)電磁、振動(dòng)、噪聲耦合分析：采用Maxwell輸出電機(jī)的幾何模型到Mechanical，利用Workbench和Ansys電機(jī)電磁、振動(dòng)、噪聲自動(dòng)化耦合仿真流程，便捷地分析電機(jī)在各種工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、形變以及振動(dòng)噪音。

　　6.電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)：采用Simplorer進(jìn)行電機(jī)及控制系統(tǒng)仿真，結(jié)合SCADE嵌入式控制代碼自動(dòng)生成技術(shù);結(jié)合Maxwell場路耦合、瞬態(tài)協(xié)同仿真技術(shù);結(jié)合Q3D線纜、母排、IGBT寄生參數(shù)提取技術(shù);對整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行高精度仿真和性能優(yōu)化。

　  BLDC從原理上看似簡單，但是一款高性能、低成本的BLDC電機(jī)的研發(fā)卻是具有一定難度與挑戰(zhàn)。例如，對于應(yīng)用家用電器領(lǐng)域的BLDC電機(jī)，要求其有更高的能效標(biāo)準(zhǔn)、更低的噪音、更低的成本。Ansys電機(jī)行業(yè)專家王楊認(rèn)為，電機(jī)企業(yè)如果依然采用傳統(tǒng)的基于物理樣機(jī)試驗(yàn)的研發(fā)手段，是難以在較短的開發(fā)周期內(nèi)解決這些問題的。一流電機(jī)企業(yè)的解決措施就是采用精確有限元仿真計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)算法相結(jié)合，在計(jì)算機(jī)中對成千上萬種虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真測試，最終迭代出滿足性能要求的最佳設(shè)計(jì)方案，這極大的節(jié)省了樣機(jī)制作成本、縮短了開發(fā)周期。　

　　　圖2：expert-design-interfaces-1　

　    從理論上來說，電機(jī)的效率和體積是一對矛盾，在電機(jī)減重的同時(shí)提升效率是具有非常大的難度。王楊表示，由于短期內(nèi)電機(jī)材料與工藝很難有較大的突破，在此情況下提升電機(jī)能效的技術(shù)手段主要還是引入優(yōu)化設(shè)計(jì)算法，將包括電機(jī)效率、體積、成本在內(nèi)的性能指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，利用高精度的有限元仿真軟件和高性能計(jì)算機(jī)，基于電機(jī)理論和優(yōu)化算法在合理的設(shè)計(jì)空間內(nèi)進(jìn)行窮舉設(shè)計(jì)，獲得兼顧效率、體積、成本等的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

　　王楊表示，BLDC電機(jī)技術(shù)發(fā)展方向和其他各類中小型電機(jī)的技術(shù)發(fā)展方向基本一致，都是更加小型化、高效化，對于電機(jī)企業(yè)來說還有低成本化。從長期來看，新材料和新工藝的創(chuàng)新可以從根本上提高電機(jī)產(chǎn)品的綜合性能，進(jìn)而也可以促進(jìn)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)、散熱結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，例如成本更低、磁性能更好永磁材料，損耗更小、重量更輕的導(dǎo)電材料，熱阻更小的絕緣材料等等。另外，隨著電力半導(dǎo)體器件、專用的控制集成電路、無感控制算法等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，也將使BLDC電機(jī)產(chǎn)品朝著更加專用化、集成化、智能化方向發(fā)展。

　　BLDC電機(jī)本質(zhì)上是采用電子換向的交流電機(jī)，與有刷直流電機(jī)具有相同的運(yùn)行特性，具有更高的可靠性。在過去20年中，BLDC電機(jī)在汽車、無人機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、家用電器、電子消費(fèi)產(chǎn)品中得到了大量的應(yīng)用。王楊相信，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，質(zhì)優(yōu)價(jià)低的BLDC電機(jī)將在未來幾十年中大規(guī)模取代有刷直流電機(jī)，獲得更加廣泛的應(yīng)用。　

　   王楊：　

　   Ansys電機(jī)行業(yè)專家，畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)電機(jī)與電器專業(yè)，此后長期從事永磁電機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)相關(guān)工作，對Ansys低頻電磁產(chǎn)品有深入了解，在電機(jī)工程仿真領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富。2019年加入Ansys公司，負(fù)責(zé)低頻電磁仿真軟件Maxwell和Motor-CAD等相關(guān)的電機(jī)行業(yè)支持推廣工作。　

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