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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(jié)構(gòu)、流體、溫度和控制等多個領(lǐng)域。隨著新材料、新工藝以及各種電機新技術(shù)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(jīng)不能滿足現(xiàn)代電機設計的要求，必須借助于現(xiàn)代仿真技術(shù)才能解決各種設計難題。

針對電機永磁化、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”）能提供集成化設計解決方案和流程，高效實現(xiàn)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(lǐng)域、多層次、集成化電機及驅(qū)動/控制系統(tǒng)設計。

圖1：3DMotorFlux

據(jù)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(xiàn)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(jié)合內(nèi)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(xiàn)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(jié)合，實現(xiàn)包括電機電磁性能、NVH、散熱設計在內(nèi)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(jié)構(gòu)應力、形變以及振動噪音。

6.電驅(qū)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(jié)合SCADE嵌入式控制代碼自動生成技術(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)；對整個電驅(qū)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(lǐng)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(nèi)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(jié)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(nèi)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(shù)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(nèi)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(nèi)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(shù)發(fā)展方向和其他各類中小型電機的技術(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(chǎn)品的綜合性能，進而也可以促進電機磁路結(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(shù)的進一步發(fā)展，也將使BLDC電機產(chǎn)品朝著更加專用化、集成化、智能化方向發(fā)展。

BLDC電機本質(zhì)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(chǎn)品中得到了大量的應用。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(guān)工作，對Ansys低頻電磁產(chǎn)品有深入了解，在電機工程仿真領(lǐng)域經(jīng)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(guān)的電機行業(yè)支持推廣工作。