電機作為一種典型的電氣機械設(shè)備，其性能取決于電磁場、機械結(jié)構(gòu)和熱特性之間的復(fù)雜耦合關(guān)系。為了深入理解電機的工作原理及性能，通常需要采用數(shù)值仿真方法進行多物理場分析。

電機的的多物理場耦合仿真主要包括：

1. 電機電磁場仿真

2.?電機結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真

3.?電機熱仿真

4. 電機控制系統(tǒng)策略及運行系統(tǒng)分析

5. 多場耦合應(yīng)用：

• 電磁-熱耦合? ?

• 電磁-結(jié)構(gòu)力學(xué)&NVH耦合? ?

• 電磁-系統(tǒng)控制耦合? ?

• 流固&熱固耦合

本文主要從電機電磁場仿真、電機結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真、電機熱仿真三個方面進行討論，并介紹電機多物理場耦合仿真的應(yīng)用。

電機電磁場仿真

電機的電磁場仿真分析主要研究電機內(nèi)部的磁場分布及動態(tài)變化，以及由此產(chǎn)生的電磁力和電磁矩。主要分析內(nèi)容如下:

電機空間磁密分布、氣隙磁密分布：通過建立電機電磁場仿真模型,可以獲取定子和轉(zhuǎn)子齒槽中的三維磁密分布，為電機設(shè)計提供參考。

電機動態(tài)磁場效應(yīng)：電機啟動和負(fù)載變化時，磁場與電流場的動態(tài)耦合關(guān)系，可通過時域仿真研究電機的動態(tài)特性。

繞組阻抗參數(shù)提?。和ㄟ^仿真可得到繞組的電感和電阻，為電機性能計算及控制系統(tǒng)設(shè)計提供參數(shù)。

電機能量損耗分析：鐵損、銅損和渦流損耗的計算，分析其損耗的能量與輸入能量的比例關(guān)系，從而反映電機能量轉(zhuǎn)換效率情況。

電機電磁力/力矩計算：通過仿真計算電機定子和轉(zhuǎn)子上各部件所受的電磁力，以及轉(zhuǎn)子所受的驅(qū)動力矩，從而為電機的設(shè)計提供依據(jù)。

電機結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真

電機工作期間會受到各種載荷和激勵的作用，這就要求其結(jié)構(gòu)具有足夠的機械強度及疲勞性能。電機結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真主要研究電機定子和轉(zhuǎn)子等部件的力學(xué)性能，包括應(yīng)力/應(yīng)變分布、模態(tài)、動力學(xué)響應(yīng)、NVH、疲勞分析等。
應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化：在電磁力的作用下,定子和轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力和變形，通過仿真對電機定轉(zhuǎn)子沖片進行強度分析，并基于強度分析結(jié)果進行結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化分析。

轉(zhuǎn)子動力學(xué)、臨界轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)子在電磁力矩驅(qū)動下會旋轉(zhuǎn)運動，通過結(jié)構(gòu)仿真可以研究轉(zhuǎn)子的動力學(xué)響應(yīng)和穩(wěn)定性，確定臨界轉(zhuǎn)速范圍。

機械振動：電機工作時，定子和轉(zhuǎn)子會在電磁力的激勵下產(chǎn)生振動，應(yīng)用模態(tài)分析和動力學(xué)分析可以研究電機的振動特性和減振措施。

轉(zhuǎn)軸擾度、強度計算：電機轉(zhuǎn)軸承受轉(zhuǎn)子和外載荷的組合力，結(jié)構(gòu)仿真可以分析其應(yīng)力分布和變形，評估軸承荷載能力及壽命。

電機裝配：不同部件的裝配公差和預(yù)緊力會影響電機性能，應(yīng)用結(jié)構(gòu)仿真可以分析部件的配合和扭矩-預(yù)緊力關(guān)系，指導(dǎo)電機裝配工藝。

疲勞分析：基于結(jié)構(gòu)仿真得到的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù),可以進行疲勞分析來評估電機部件的疲勞壽命,為生產(chǎn)和維護提供參考。

電機熱仿真

電機工作時會產(chǎn)生較大的損耗熱，如果不能及時散出，會導(dǎo)致溫升過高而影響電機性能。電機熱仿真可以研究電機內(nèi)部的溫度場分布、熱量傳導(dǎo)，為電機的散熱設(shè)計提供理論依據(jù)。

電機結(jié)構(gòu)溫升：在給定的損耗熱和邊界條件下，可以研究電機各部件的溫度分布，為溫度限值的把握和熱設(shè)計優(yōu)化提供參考。

流體散熱分析：通過模擬仿真電機流道內(nèi)的流體運動情況，以及整個系統(tǒng)內(nèi)的傳導(dǎo)、輻射、對流的綜合熱傳遞效應(yīng)，包括風(fēng)冷、液冷以及自然對流冷卻系統(tǒng)，進行油冷電機的飛濺冷卻分析。

電機多物理場耦合仿真

電機是一個復(fù)雜的電磁-熱-結(jié)構(gòu)相互耦合系統(tǒng)，其性能取決于三種物理場之間的相互作用。因此，實現(xiàn)電機的精確仿真分析和性能優(yōu)化設(shè)計，需要采用多物理場耦合的仿真方法。主要耦合關(guān)系和分析內(nèi)容如下:

電磁-結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形分析：在電磁力作用下，電機定子和轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，而其結(jié)構(gòu)的變形又會放過來影響其電磁性能，兩種物理場之間存在雙向耦合。通過仿真分析電磁力對結(jié)構(gòu)的影響，指導(dǎo)電機的強度設(shè)計。
電磁-結(jié)構(gòu)振動分析：電磁力會驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動響應(yīng)，多物理場耦合仿真可以研究兩種物理場的相互作用機制，實現(xiàn)電機的減振設(shè)計。

電磁-溫升散熱分析：電磁損耗會以熱量形式在電機內(nèi)釋放并導(dǎo)致溫升，兩種物理場之間存在熱動力學(xué)耦合關(guān)系。多物理場仿真可以精確預(yù)測電機的溫升特性和散熱情況，實現(xiàn)對電機溫度的準(zhǔn)確控制。

熱-結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形分析：溫度場會引起熱應(yīng)力和熱變形，改變電機結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。熱-結(jié)構(gòu)耦合分析可以研究溫度變化對結(jié)構(gòu)整體性能的影響。

結(jié)構(gòu)振動-噪聲分析：電機機械振動會激發(fā)空氣中的噪聲，兩種現(xiàn)象之間存在振動-聲學(xué)耦合關(guān)系。應(yīng)用多場耦合仿真方法可以預(yù)測電機的振動噪聲水平及其傳播規(guī)律。

氣動-噪聲分析：電機內(nèi)部的流體流動也會產(chǎn)生流動噪聲，流體動力學(xué)現(xiàn)象與聲學(xué)場也存在耦合作用。聯(lián)合仿真可以研究風(fēng)冷電機的氣動噪聲及其控制方法。電機多物理場耦合仿真能夠全面深入地研究電機的工作原理和性能特性，實現(xiàn)對電機的優(yōu)化設(shè)計與分析。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，多物理場耦合仿真必將成為電機設(shè)計中的重要手段。