現(xiàn)代電機(jī)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)正從磁路法設(shè)計(jì)步入電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)分析時(shí)代，這對(duì)加速開(kāi)發(fā)過(guò)程、降低開(kāi)發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面起到了積極的推動(dòng)作用，但同時(shí)電磁場(chǎng)分析軟件的普及也對(duì)廣大工程人員提出了更高的技術(shù)要求。本文提出了一鍵設(shè)計(jì)的電機(jī)自動(dòng)設(shè)計(jì)概念，以最大程度地降低電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)對(duì)工程師的技術(shù)要求，為中國(guó)電機(jī)設(shè)計(jì)工程師提供新的選擇。
隨著電機(jī)工業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，電機(jī)設(shè)計(jì)也步入了新的階段，表現(xiàn)為對(duì)于電機(jī)設(shè)計(jì)精度、設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本有了越來(lái)越高的要求。傳統(tǒng)基于磁路法的電機(jī)設(shè)計(jì)方法由于把電磁場(chǎng)的問(wèn)題簡(jiǎn)化為磁路的問(wèn)題進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)，必然從精度上滿足不了現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)企業(yè)也不可避免地陷入樣機(jī)試制與測(cè)試的繁瑣流程。目前電磁場(chǎng)分析方法的引入極大地豐富了電機(jī)設(shè)計(jì)的概念和內(nèi)涵，通過(guò)有限元分析手段解決了電機(jī)設(shè)計(jì)的本質(zhì)-電磁場(chǎng)問(wèn)題，使得設(shè)計(jì)人員以最短的周期設(shè)計(jì)出性能最好的產(chǎn)品成為可能。但專業(yè)的電磁分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)人員要求高、價(jià)格昂貴，無(wú)法在廣大電機(jī)企業(yè)特別是具有極強(qiáng)創(chuàng)新需求的中小型電機(jī)企業(yè)普及應(yīng)用，必須研究新的電機(jī)設(shè)計(jì)概念與思路以迅速幫助大量電機(jī)企業(yè)提高技術(shù)層次和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，從而提高企業(yè)的產(chǎn)品附加值和利潤(rùn)。
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圖1：電磁場(chǎng)分析軟件解決流程。 |
杭州易泰達(dá)科技有限公司研究了電機(jī)設(shè)計(jì)的最新發(fā)展動(dòng)向，提出了一鍵設(shè)計(jì)(Push Button Design)的電機(jī)設(shè)計(jì)新概念，提供了新的設(shè)計(jì)概念和思路。
現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)背景
目前我國(guó)大部分電機(jī)企業(yè)每年生產(chǎn)大量的中小型電機(jī)并遠(yuǎn)銷國(guó)內(nèi)外，但實(shí)際上在高產(chǎn)量背后是低利潤(rùn)的尷尬境地，究其原因是產(chǎn)品技術(shù)含量低、企業(yè)技術(shù)層次低，如何有效快速地提高電機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)能力，以實(shí)現(xiàn)從世界工廠到創(chuàng)新中心的革新，從而為企業(yè)的發(fā)展提供更強(qiáng)大的動(dòng)力，這是每個(gè)電機(jī)企業(yè)所面臨的普遍問(wèn)題。
目前一些電機(jī)企業(yè)也逐步意識(shí)到電磁分析軟件的重要性，也采用ANSOFT、ANSYS等電磁場(chǎng)分析軟件進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)分析，然而這些軟件的應(yīng)用不僅要求設(shè)計(jì)人員具備電機(jī)專業(yè)知識(shí)，而且還要求設(shè)計(jì)人員具有一定的有限元基礎(chǔ)。即便如此，設(shè)計(jì)人員也不得不進(jìn)行繁瑣的操作和計(jì)算。圖1為電磁場(chǎng)分析軟件采用的解決流程，可見(jiàn)該流程相當(dāng)繁瑣，設(shè)計(jì)人員必須掌握有限元分析的專業(yè)知識(shí)，并且這些電磁場(chǎng)分析軟件并非專用的電機(jī)設(shè)計(jì)分析軟件，與企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)不能有效結(jié)合，這些都限制了電磁分析軟件在企業(yè)中的應(yīng)用
市場(chǎng)的發(fā)展決定了技術(shù)企業(yè)化是企業(yè)生存和發(fā)展的必然選擇，即電機(jī)企業(yè)都希望設(shè)計(jì)電機(jī)研發(fā)技術(shù)是屬于企業(yè)而并非專家所有的，這就對(duì)電磁分析軟件和設(shè)計(jì)流程有了更高的需求。首先該軟件技術(shù)門(mén)檻低，從而降低對(duì)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)依賴；其次希望通過(guò)先進(jìn)的電機(jī)設(shè)計(jì)軟件和流程把設(shè)計(jì)知識(shí)固化，從而最大程度降低技術(shù)人員流動(dòng)對(duì)企業(yè)研發(fā)的影響。
電磁場(chǎng)分析是電機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然選擇，但繁瑣的流程和專業(yè)的有限元知識(shí)對(duì)廣大工程設(shè)計(jì)人員提出了挑戰(zhàn)，這也是我國(guó)電機(jī)行業(yè)面臨的一大技術(shù)難題。
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圖2：一鍵設(shè)計(jì)概念示意圖。 |
一鍵設(shè)計(jì)概念的電機(jī)自動(dòng)設(shè)計(jì)分析平臺(tái)
要解決目前出現(xiàn)的電磁分析軟件在電機(jī)企業(yè)應(yīng)用的難題，必須采用先進(jìn)的解決概念和流程。目前先進(jìn)的電機(jī)電磁軟件解決方案為磁路分析+電磁分析軟件的組合，這一方面利用磁路分析簡(jiǎn)潔快速的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)參數(shù)化分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等手段迅速幫助設(shè)計(jì)人員縮小求解區(qū)間，得到電機(jī)設(shè)計(jì)初步方案；另一方面利用電磁分析軟件精度高的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于磁路設(shè)計(jì)的初步方案進(jìn)行高精度有限元分析，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)在任意工況下的性能測(cè)試，如空載、過(guò)載、額定負(fù)載下的性能分析，設(shè)計(jì)人員可實(shí)現(xiàn)精確的電機(jī)設(shè)計(jì)樣機(jī)性能預(yù)測(cè)和把握，從而最大程度減小樣機(jī)試制與測(cè)試次數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率。這方面的典型代表為ANSOFT公司的RMxprt+Maxwell 2D/3D軟件、magsoft及其兄弟公司的Speed+Flux 2D/3D，而ANSYS軟件由于缺乏前端磁路設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)電機(jī)設(shè)計(jì)分析的完整流程相對(duì)難度更大。但這些軟件操作繁瑣(圖1)、對(duì)技術(shù)人員要求高、價(jià)格昂貴，這些都使得國(guó)內(nèi)電機(jī)企業(yè)望而卻步，同時(shí)作為國(guó)外軟件與國(guó)內(nèi)電機(jī)廠商的實(shí)際生產(chǎn)缺乏緊密聯(lián)系。
杭州易泰達(dá)科技有限公司的電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)專家在總結(jié)電機(jī)設(shè)計(jì)流程和國(guó)外電磁分析軟件的基礎(chǔ)上，提出了一鍵設(shè)計(jì)的電機(jī)設(shè)計(jì)新概念。圖2為基于該設(shè)計(jì)概念的電機(jī)設(shè)計(jì)流程與目前電磁場(chǎng)分析軟件設(shè)計(jì)流程的對(duì)比圖。圖中可見(jiàn)，目前商用有限元電磁場(chǎng)分析軟件解決電機(jī)設(shè)計(jì)分析問(wèn)題的步驟相當(dāng)繁瑣，并且由于這些軟件并非面向電機(jī)設(shè)計(jì)的專用軟件，所以為了得到電機(jī)的性能曲線，如機(jī)械特性曲線，往往要經(jīng)過(guò)多次迭代運(yùn)算才可實(shí)現(xiàn)電機(jī)性能的完整分析。而在一鍵設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)概念中，通過(guò)內(nèi)嵌的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分模塊和集成的電機(jī)分析模塊，設(shè)計(jì)人員只需根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)和要求點(diǎn)擊相應(yīng)的按鍵，軟件即可自動(dòng)幫助設(shè)計(jì)人員完成電磁場(chǎng)分析和電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，這一先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念完全摒棄了目前電磁分析軟件的繁瑣解決流程，在自動(dòng)完成電機(jī)電磁分析的同時(shí)極大的提高設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率。
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圖3：Easi Motor Flow 軟件界面。 |
基于一鍵設(shè)計(jì)概念推出的電機(jī)自動(dòng)設(shè)計(jì)分析平臺(tái)?DEasi Motor Flow，圖3所示為軟件流程化的設(shè)計(jì)界面。Easi Motor Flow針對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)提供了磁路設(shè)計(jì)+有限元磁場(chǎng)分析的完整解決流程和高效設(shè)計(jì)思路，其多層次求解平臺(tái)如圖4所示。Easi Motor Flow的特點(diǎn)可表示為以下幾點(diǎn)：
高效。提供電機(jī)設(shè)計(jì)完整的解決流程，包括電機(jī)設(shè)計(jì)、電磁分析、運(yùn)行測(cè)試及各種工況下的性能分析，還可提供瞬態(tài)試驗(yàn)結(jié)果(包括空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)等)、氣隙磁密以及各種電磁場(chǎng)結(jié)果(磁力線分布和磁密分布)。圖5為Easi Motor Flow分析三相感應(yīng)電機(jī)額定負(fù)載下起動(dòng)時(shí)電機(jī)性能曲線和磁場(chǎng)分布圖。
