基于改进PEEC方法的工业变速电机电磁兼容建模

作为2021年3月ATCx电动动力总成虚拟活动的一部分，电机开发小组讨论的记录。该小组介绍了捷豹路虎首席电机设计工程师Cleef Thackwell的见解;Altair全球汽车副总裁Lars Fredriksson博士;Altair团队经理James Eves;Jonathan Stevens, Equipmake高级开发工程师;Andy Jones, HiETA Technologies创新项目经理;赛峰通风系统设计工程师Sergi Riba;牵牛星机电解决方案全球业务发展高级总监Vincent Leconte。

Andrew Lawton，智能制造技术的首席研究工程师。Andrew在SMT工作了近10年，专注于动力传动系统的动态分析，包括来自电机和齿轮的激励力的影响。Andrew的演讲将涵盖电动汽车动力传动系统的NVH分析，特别是关于对牵牛星Flux产生的电机力的响应。 他将通过观察不平衡磁拉力的存在如何通过将力从Flux导入MASTA来影响NVH响应来说明这一点。

Lars Fredriksson博士，副总裁-在Altair模拟驱动创新，介绍了电动机的多物理设计，特别关注优化性能，包括努力最大化扭矩和功率在规定的驾驶条件下，同时保持转子应力，电机振动和电机温度在一定的限制。我们还将看到这一过程的一些具体例子，应用于保时捷和AMG的电动马达开发。

Altair的团队经理James Eves, Equipmake的高级开发工程师Jonathan Stevens和HiETA Technologies的创新项目经理Andy Jones讨论了AMPERE，这是一个联合项目，旨在生产一种极轻、高效但低成本的电机，具有极高的连续功率密度。该联盟将介绍设计这种高性能电机所面临的一些工程挑战，以及如何通过先进的制造技术和仿真驱动设计来克服这些挑战。

赛峰通风系统设计工程师Sergi Riba，牵牛星(Altair)全球业务发展- EM解决方案高级总监Vincent Leconte简要介绍。他们一起讨论了航空航天领域电机的发展。

首席技术官Royston Jones博士和技术总监Anthony Hahnel博士在ATCx 2021年电动动力系统驱动创新大会上发表了主题演讲。

在这篇文章中，牵牛星概述了推进系统设计的整体方法如何使制造商在最大限度地提高车辆续航里程的同时满足性能要求。

变压器绕组由于携带电流而受到电磁力的机械载荷。电力变压器会受到突然短路电流的影响。这些短路电流是一个重大威胁，不仅从电气，而且从结构完整性的角度来看。本文通过电磁与结构力学耦合仿真，全面准确地评价短路故障风险。

牵牛星的仿真驱动设计解决方案组合包括电磁学(EM)和电子设计自动化(EDA)等众多学科。

牵牛星(Altair)业务发展- EM解决方案总监Vincent Leconte在2019年英国电子交通研讨会上发言。电机的优化，案例研究:捷豹路虎和保时捷。发动机的冷却模拟。

牵牛星通量捕捉机电设备的复杂性，以优化其性能、效率、尺寸、成本或重量的精度，为最终用户带来更好的创新和价值产品。Flux PEEC是用于EMC和电力电子应用的电气互连建模的专用环境，从小型线键合和PCB轨道，到母线、电源模块和大型配电配电盘。bob电竞官方通量PEEC评估寄生电感和电容，分析电流分布和共振，包括蒙皮，接近性和电容效应，并计算焦耳损失，辐射磁场和拉普拉斯力。

感应电动机广泛应用于汽车工业。为了提高乘客的舒适度，电机设计人员试图开发新的解决方案，从电磁方面降低噪声。阻尼器绕组可以改善发出的振动和噪声。在本演示中，LSEE展示了有趣的建模方法，以评估阻尼器绕组对电机振动-声学行为的影响，并将其与测量结果进行比较。*请注意，这项技术已获得专利/ WO 2016207166 A1* LSEE和牵牛星在SIA-CTTM汽车NVH舒适性2018上的演讲

由于大约40%的电网损耗是由电力变压器消散的，因此现在非常需要分析电网的这些重要组成部分。牵牛星Flux 2D / 3D在这些调查中起着关键作用。

永磁轴向磁通大功率风力发电机组(MW级)设计

模拟MV/HV设备中的绝缘部件能够-预测和避免介电击穿-计算和最小化高压直流线路的电气应力-减少尺寸过大

在汽车领域，由于电流所遵循的路径在最低频率(几Hz)和中频(数百kHz)之间非常不同，因此电流返回的EMC现象发生在宽频段上。

剩磁是当所有电流都被移除后剩下的东西，在铁芯中仍然有一些通量密度。这通常是通量密度接近路径的情况，特别是在U形或E形器件中。为了消除这种影响，有时添加一个所谓的剩余气隙是有用的。本文解释了我们在Flux中加入了什么来模拟由于滞后造成的这种效应。

所有电机设计师都知道，齿槽转矩的计算是一项棘手的任务，特别是在3D中。事实上，这个变量的振幅几乎与数值噪声相同。在大多数情况下，传统的网格方法是不够的，必须采用特定的方法。在CEDRAT，由于经验丰富，应用团队已经开发出了在大多数情况下成功计算齿槽扭矩的方法。本文提出了一种计算三维非径向电机齿槽转矩的具体网格方法。

所有电机设计师都知道，在3D中计算齿轮转矩是一项棘手的任务。事实上，这个量的振幅几乎与数值噪声相同。在大多数情况下，经典的网格划分方法是不够的，必须使用特定的方法。CEDRAT的应用团队凭借其丰富的经验，开发出了在大多数情况下成功计算齿槽扭矩的方法。本文提出了一种计算二维和三维径向电机齿槽转矩的具体啮合方法。为了便于网格划分，本文首先给出了一些关于几何定义的一般建议。然后，介绍了应用于二维SPM电机和三维IPM电机的具体网格划分方法。

本文对集中绕组和分布式绕组的三相永磁同步电机进行了比较研究。这项研究的目的是确定机器，提供更好的电磁性能(扭矩，效率，反电动势…)。设计了两种输出功率、定子和转子外径、气隙、轴向长度相同的集中和分布式绕组永磁同步电动机。使用有限元分析(Flux 2D)比较了两种机器的机器性能。

在目前电机能效的背景下，旋转电机的诊断研究越来越多。设计人员试图在定子绕组电流、转矩、漏磁场等方面对旋转机械故障进行在线、无创诊断和典型特征。在旋转机器的故障中，有7 ~ 10%的故障位于转子，其中一些故障是偏心。这些故障会产生电磁转矩振荡:电磁力作用在定子上，特别是定子绕组上，会加速其绝缘磨损。定子与转子之间的摩擦不排除;这也会对轴承产生不利影响。在文献中，我们经常发现三种类型的怪癖:静态、动态和混合。我们的Flux 2D/3D/Skew有限元解决方案可以很大程度上帮助预测偏心故障的典型特征，以及这些缺陷对这些机器的电磁和振声性能的影响，这是该软件的一个非常独特的特征。这篇文章的目的是展示不同的偏心率与Flux 2D/3D/Skew的可行性，这要感谢机械设备提供的可能性。

在文献中，我们可以找到两种进行诊断的方法:模型方法-一种针对自动化工程师的特定方法。根据所采用的机制，我们可以在该方法中区分出三个分支:观察者监测、分析冗余监测和参数估计监测。信号方法-这种方法是基于可测量的信号数据，如电流、转矩、杂散磁通、噪声和振动、温度。此方法的原理是寻找正常或故障操作所特有的频率。电动旋转电机的故障会引起其他现象，如噪声和振动，以及可能的其他故障，如定子和转子之间的摩擦或绝缘的加速磨损。

电机的热分析和相关的流体动力学计算，与机械工程学科相关的任务，似乎对电气工程师的兴趣不如电磁分析。但是，随着充分开发新设计和新材料的要求不断增加，对电机的热行为进行分析或多或少成为强制性的，其程度与电磁设计相同。

非接触式能量传输(CET)系统应用于许多工业部门。其中包括传送带、手推车、存储和检索单元、行李处理、电池充电站、移动电话和医疗植入物。能量传递模型与常规变压器非常相似，除了一次绕组和二次绕组之间的弱耦合以及部分或不存在铁磁闭合路径。电感耦合通常在几兆瓦到几百千瓦的范围内使用。

感应加热和强制冷却(淋浴)原理:感应加热是加热一个不接触的导电物体的过程。电流流过线圈(见图1)产生交变磁场。这个电场在导体中感应电流(涡流)。涡流的再分配取决于电导体的形状、频率和电导体所用材料的物理性能。除此之外，感应加热应用中使用的高频引起了一种称为集肤效应的现象:所有电流都只集中在边界上。bob电竞官方

对于开关磁阻电机，为了减小电流纹波或磁滞带，通常使用斩波器来控制特定的电流指令。我们建议在这个示例中(参见图1)了解如何使用groovy语言在Flux中实现这样的命令。

要求:旋转电机设计者希望高可靠性、最小功率损耗、最大功率、最大扭矩和低机械共振振动和噪声。为了满足电机设计师的需求，CEDRAT于2003年开始开发将Skew考虑在内的工具。对这个工具进行了一些改进。倾斜通常通过将机器的活动长度细分为几个2D切片来计算。在最新的歪斜版本的Flux后期处理直接是一个完整的3D后期处理。

本文介绍了利用CEDRAT Flux软件进行静磁三维模拟的主要结果，特别是针对新型TMR角度传感器的应用。bob电竞官方这种磁传感器目前被应用于汽车电子产品，以及许多新的工业、消费产品、医疗、航空电子、国防和其他应用。bob电竞官方在Flux 3D下，研究了磁体几何参数和传感器定位机械公差的几种影响，如气隙和倾斜效应。结果包括适用于TMR的最佳解决方案，以及广泛的其他角度传感器类型和应用。bob电竞官方

目前，不考虑热应力的电工器件设计越来越困难。在越来越多的应用中(电动汽车，电动bob电竞官方飞机等)，需要减轻重量和成本，提高效率，同时保持安全性。一种可能是为相同的设备增加电流，因此如何吸取热量。这就是为什么传统的近似方法需要用新工具进行交叉检验。为了进行参数化分析甚至优化分析，这些新工具必须快速准确。当然，热分析已经在Flux套件中用于感应加热、感应硬化、锻造等。例如，已经创建了专用bob电竞官方的应用程序来耦合磁交流稳态和热瞬态分析。新的是更容易和更有效的耦合任何类型的磁应用到热分析。本文回顾了热分析是什么，不同的工具是什么时候创建的，并介绍了热分析的最新进展。

热分析是设计电机时的一个关键因素。我们建议将瞬态应用中的电磁和热两方面的研究与有限元方法相结合，以更高的精度表征电机的热状态。由于电磁响应时间和热响应时间不同，采用原始方法提取一个磁周期内损耗(焦耳和铁损耗)的平均值，并将其作为瞬态热分析的输入。因此，电机不同部位的温度被提取出来，并作为下一次电磁计算的输入。

本文介绍了气隙变化对集中定子绕组28极轴向磁通永磁电机性能的影响。采用三维有限元方法对AFPM进行建模。该模型包括机器部件的所有几何和物理特性。

本文采用有限元方法研究了并联逆变馈永磁分体电容感应电动机电容值对磁噪声的影响。在Flux2D有限元软件下对4极、24个定子槽和30个转子槽的感应电机进行建模，以确定作用在定子上的磁力的振幅和频谱。通过Flux2D与Matlab/Simulink的耦合，考虑了逆变电源的影响。结果与所研究电机的噪声测量结果进行了比较。

介绍了永磁直线电机的特点、控制及应用。bob电竞官方它的目标是在基于有限元的软件Flux2D中开发一个线性机器模型。有限元模型由8个极点和9个槽组成，利用极点的周期性来模拟无限行程长度。同时对空载和标称载工况进行了仿真，验证了模型的性能。空载时，模拟齿槽力为1.1N

消除结构件中的热点，减少涡流损失是变压器设计的重要组成部分之一。本文采用三维有限元法计算了夹紧架、变压器油箱和电磁屏蔽的涡流损耗。采用表面阻抗法对夹紧架、变压器油箱和电磁屏蔽进行建模。分析了电磁屏蔽和磁分流对减小变压器罐内涡流损耗的影响。

本文研究了电感曲线离散化对带阻尼线圈和搜索线圈的同步发电机耦合电路模型的影响。采用二维有限元法计算了不同转子位置下所有耦合电路的自感和互感。

人们对能源安全和化石燃料发动机造成的环境污染的日益关注，推动了电动汽车(ev)的重大研究。牵引电气化的要求在效率、扭矩和功率密度方面要求很高

近年来，为了提高低电阻率金属坯料的感应加热效率，提出了一种创新的直流感应加热概念[1-3]。在这种方法中，通过电动机驱动，钢坯被迫在横向直流磁场内旋转

摘要磁控制器(集中器、磁芯、屏蔽器、分流器)的温度控制是感应线圈设计的重要组成部分。“冷却条件对感应线圈铜温度的影响”(V. Nemkov, R. Goldstein)[1]中描述了线圈铜的预测和研究。该研究使用Flux 2D计算机模拟程序进行。

本文提出了钢管感应焊接过程的两种仿真策略。采用三维有限元模型求解电磁热耦合问题。比较了所得的功率密度和温度分布。所述策略可用于设计钢管感应焊接装置，并验证焊接过程的主要参数，即焊接速度、频率、比功率和总功率的影响。

Flux Conference 2012演讲