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　　【嗶哥嗶特導讀】隨著新材料的應用和新技術的迭代，BLDC電機將實現質優(yōu)價低的突破，未來也將走向更廣泛的應用場景。 

　　BLDC是典型的機電一體化類電機，其設計過程是一個復雜的多學科綜合問題，它涉及電磁、結構、流體、溫度和控制等多個領域。隨著新材料、新工藝以及各種電機新技術的發(fā)展，BLDC電機設計的要求越來越苛刻，精度要求也越來越高，傳統(tǒng)的設計方法和手段已經不能滿足現代電機設計的要求，必須借助于現代仿真技術才能解決各種設計難題。 

　　針對電機永磁化、高速化、無刷化、數字化、集成化、智能化、高效節(jié)能化的發(fā)展趨勢和相關技術挑戰(zhàn)，安似科技(上海)有限公司(以下簡稱“Ansys”)能提供集成化設計解決方案和流程，高效實現電機從磁路法到有限元、從部件到系統(tǒng)、從電磁到多物理場耦合的多領域、多層次、

        成化電機及驅動/控制系統(tǒng)設計。

　　 圖1：3DMotorFlux 

 　   據了解，Ansys集成化電機設計流程主要包括： 

       1.電機快速設計和方案優(yōu)選：采用電機磁路法設計工具RMxprt和電機多學科快速設計工具Ansys & Motor-CAD，快速實現電機的初始方案評估和優(yōu)化設計，縮小電機的設計空間，并一鍵輸出電機二維或三維有限元模型以及電機的系統(tǒng)仿真模型備用;　

       2.電機電磁場有限元精確優(yōu)化設計：采用Maxwell二維或三維電磁場有限元仿真，并結合內置外電路或Simplorer控制電路，對電機有限元模型進行仿真設計和細節(jié)優(yōu)化，并輸出等效電路模型備用;　

      3.電機電磁、熱耦合分析：采用Maxwell輸出電機的幾何模型和分布式損耗到Mechanical或FLUENT等工具中，進行電機溫度場仿真，實現電磁、熱單/雙向耦合分析，預測電機在各種工況下的溫升并優(yōu)化散熱系統(tǒng)設計;

　   4.電機優(yōu)化設計：在電機初始設計階段，采用Motor-CAD與專業(yè)優(yōu)化設計工具Ansys optiSLang進行多學科快速綜合優(yōu)化;在電機高精度設計階段，采用Maxwell與optiSLang、DesignXplorer相結合，實現包括電機電磁性能、NVH、散熱設計在內的多物理場綜合優(yōu)化設計。

　　5.電機電磁、振動、噪聲耦合分析：采用Maxwell輸出電機的幾何模型到Mechanical，利用Workbench和Ansys電機電磁、振動、噪聲自動化耦合仿真流程，便捷地分析電機在各種工況下的結構應力、形變以及振動噪音。

　　6.電驅動系統(tǒng)集成化設計：采用Simplorer進行電機及控制系統(tǒng)仿真，結合SCADE嵌入式控制代碼自動生成技術;結合Maxwell場路耦合、瞬態(tài)協(xié)同仿真技術;結合Q3D線纜、母排、IGBT寄生參數提取技術;對整個電驅動系統(tǒng)進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電機的研發(fā)卻是具有一定難度與挑戰(zhàn)。例如，對于應用家用電器領域的BLDC電機，要求其有更高的能效標準、更低的噪音、更低的成本。Ansys電機行業(yè)專家王楊認為，電機企業(yè)如果依然采用傳統(tǒng)的基于物理樣機試驗的研發(fā)手段，是難以在較短的開發(fā)周期內解決這些問題的。一流電機企業(yè)的解決措施就是采用精確有限元仿真計算與優(yōu)化設計算法相結合，在計算機中對成千上萬種虛擬樣機進行仿真測試，最終迭代出滿足性能要求的最佳設計方案，這極大的節(jié)省了樣機制作成本、縮短了開發(fā)周期。　

　　　圖2：expert-design-interfaces-1　

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

　　王楊表示，BLDC電機技術發(fā)展方向和其他各類中小型電機的技術發(fā)展方向基本一致，都是更加小型化、高效化，對于電機企業(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產品的綜合性能，進而也可以促進電機磁路結構、散熱結構的創(chuàng)新，例如成本更低、磁性能更好永磁材料，損耗更小、重量更輕的導電材料，熱阻更小的絕緣材料等等。另外，隨著電力半導體器件、專用的控制集成電路、無感控制算法等技術的進一步發(fā)展，也將使BLDC電機產品朝著更加專用化、集成化、智能化方向發(fā)展。

　　BLDC電機本質上是采用電子換向的交流電機，與有刷直流電機具有相同的運行特性，具有更高的可靠性。在過去20年中，BLDC電機在汽車、無人機、醫(yī)療設備、家用電器、電子消費產品中得到了大量的應用。王楊相信，隨著相關技術的發(fā)展與創(chuàng)新，質優(yōu)價低的BLDC電機將在未來幾十年中大規(guī)模取代有刷直流電機，獲得更加廣泛的應用�！�

　   王楊：　

　   Ansys電機行業(yè)專家，畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學電機與電器專業(yè)，此后長期從事永磁電機研發(fā)設計相關工作，對Ansys低頻電磁產品有深入了解，在電機工程仿真領域經驗豐富。2019年加入Ansys公司，負責低頻電磁仿真軟件Maxwell和Motor-CAD等相關的電機行業(yè)支持推廣工作。　

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