电机的电磁场CAE有限元分析综论
常用CAE分析简介
常用CAE分析简介1. 有限元分析（FEA）：有限元分析是一种将复杂结构分解为简单单元的方法，通过求解这些单元的力学行为，从而得到整个结构的力学性能。
有限元分析广泛应用于结构分析、热分析、流体分析等领域，可以帮助工程师评估设计的强度、刚度、稳定性等性能指标。
2. 计算流体动力学（CFD）：计算流体动力学是一种利用数值方法模拟流体流动问题的方法。
通过CFD分析，工程师可以了解流体在特定条件下的速度、压力、温度等参数，从而优化设计，提高设备的性能。
CFD分析广泛应用于航空航天、汽车、化工、建筑等领域。
3. 多体动力学（MBD）：多体动力学是一种模拟多个刚体之间相互作用的力学分析方法。
通过MBD分析，工程师可以研究机械系统的运动特性、动力学性能和振动特性，从而优化设计，提高设备的可靠性。
MBD分析广泛应用于汽车、、航天器等领域。
4. 优化设计：优化设计是一种在满足一定约束条件下，寻找最优设计方案的方法。
通过优化设计，工程师可以在保证产品质量的前提下，降低成本、提高性能。
优化设计方法包括线性规划、非线性规划、遗传算法等。
5. 可靠性分析：可靠性分析是一种评估产品在使用过程中发生故障的概率的方法。
通过可靠性分析，工程师可以了解产品的故障模式和故障原因，从而优化设计，提高产品的可靠性。
可靠性分析方法包括故障树分析、故障模式与影响分析等。
CAE分析在工程领域具有广泛的应用，可以帮助工程师在设计阶段发现潜在问题，优化设计，提高产品质量和降低成本。
随着计算机技术的不断发展，CAE分析将在未来发挥越来越重要的作用。
6. 热分析：热分析是一种评估产品在温度变化下的热传导、热对流和热辐射性能的方法。
通过热分析，工程师可以了解产品在不同温度条件下的热性能，从而优化设计，提高产品的热效率和热稳定性。
热分析广泛应用于电子设备、汽车、航空航天等领域。
7. 声学分析：声学分析是一种评估产品在声波作用下的声学性能的方法。
通过声学分析，工程师可以了解产品在不同频率下的声压级、声强级和声功率级等参数，从而优化设计，提高产品的声学性能。
机械设计基础机械设计中的CAE分析方法
机械设计基础机械设计中的CAE分析方法机械设计是工程领域中非常重要的一项任务，它涉及到各种机械设备的设计和制造。
而在现代机械设计中，CAE（计算机辅助工程）分析方法的应用越来越广泛，为设计师提供了强大的工具和技术支持。
本文将介绍机械设计中常用的CAE分析方法，以及它们在设计过程中的应用。
一、有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）有限元分析是机械设计中最常用的CAE分析方法之一。
它通过将实际的结构分割成有限数量的小元素，然后利用数值计算方法求解每个小元素的应力、变形等物理量。
这样可以在较小的计算范围内，准确预测结构的力学性能。
在机械设计中，有限元分析广泛应用于刚度、强度、稳定性、疲劳寿命等方面的评估。
设计师可以通过有限元分析来验证设计方案的可行性，确定合适的材料和尺寸，并最终优化设计方案。
二、计算流体力学分析（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）计算流体力学分析是机械设计中另一个重要的CAE分析方法。
它用数值方法解决流体力学方程，对液态、气态流体的流动、传热、传质等进行模拟和计算。
在机械设计中，计算流体力学分析常用于气动性能、液压性能、热传导等方面的研究。
通过CFD分析，设计师可以预测流体在机械设备中的流动状态和传热效果，为设计方案的改进提供重要的参考。
三、多体动力学分析（Multibody Dynamics Analysis，简称MDA）多体动力学分析是机械设计中用于研究刚体与刚体之间相对运动的CAE分析方法。
它将机械系统视为由多个刚体组成的多体系统，通过求解动力学方程，计算系统中刚体的位移、速度、加速度等运动参数。
在机械设计中，多体动力学分析广泛应用于机构设计、机械振动、运动机理等方面的研究。
通过MDA分析，设计师可以了解机械系统的运动规律和力学性能，优化机构设计，提高系统的工作效率和稳定性。
四、耦合分析（Coupled Analysis）耦合分析是机械设计中将多个CAE分析方法整合起来进行综合分析的方法。
对电机进行的电磁场分析
将电枢磁势对合成磁势的影响叫做电枢反应。
Ff
二 同步电动机负载时的运行状态
设电机的磁路不饱和，励磁反电动势 为 E 0 ，电枢电流 I 与 E 0 之间的夹角为
(90 90)
⒈ 电枢电流I 与励磁反电动势E0 同 相时的电枢反应
电枢磁势Fa 的轴线总是与励磁磁势Ff的 轴线(d轴)相差90°电角度，而与转子 的交轴(q轴)重合。因此，称这种电枢 反应为交轴电枢反应。它使转子产生电 磁转矩。
c os5
Fy5 cost cos 5
分布元件组的脉振磁势
1 多相绕组的脉振磁势
设一个元件组由q个整距元件组成。相邻两元件之间相差一个槽距角 ，因此元件、 的矩形磁势波在空间位置上也彼此位移电角 。q个矩形波叠加起来为一阶梯波.
R
Fq1
q
Fq1
2R sin
q
2
Fy1 2Rsin2
Fq1 2Rsinq2
电机运行的性能取决于电机的参数和损耗。 因此研究电机内的磁场，对设计一台性能 良好的电机具有重要意义。
三 旋转电机简介
1 基本分类及结构 1）交流电机 电枢绕组通常位于定子上，其理想波形为正弦波 2）直流电机 电枢绕组通常位于转子上，其理想波形为锯齿波
2 能量关系 电源输入的能量=机械能量输出+磁场储能的增量+转换为热的能量
当电磁转矩和静负载转矩相等时，两个磁势的夹角 不再变化，两个磁势同步前进。
直轴—— 转子NS极中心线，又称作d轴。 规定两个轴
交轴—— 与直轴相距90°电角度的地 方，又称作q轴。
直轴 Ff
交轴
由励磁电流If 产生励磁磁势Ff ，进一步产生励磁磁通0。 由电枢电流I 产生电枢磁势Fa，进一步产生电枢磁通a。
电机设计及有限元分析
电机设计及有限元分析详细介绍：随着电⽓化和产品智能化⽔平的提⾼，电机、变压器以及⾼低压电器在各种装备和⽣活中的应⽤越来越多，电机和电器朝着容量⼤型化、体积⼩型化以及智能化的⽅向发展。
现今的电机电器设计⾯临着更复杂的技术挑战，只有充分运⽤现代⼯程仿真技术才能应对这些挑战。
典型应⽤领域1）电磁仿真。
电磁仿真在电机电器设计中扮演⾮常重要的⾓⾊，电磁仿真可以预测电磁转换的效率、各个部件的损耗和发热量、电磁⼒/⼒矩等参数，是进⼀步进⾏热仿真和结构仿真的基础；2）电场仿真。
随着电器设备容量和⼯作电压的提⾼，电场仿真的必要性性更加迫切，电场仿真能够预测设备的绝缘性、放电和击穿的可能性等性能指标；3）热仿真。
过热会使电机的可靠性降低，甚⾄于烧毁，因此热分析与热设计在电机电器设计中⾮常重要，热分析可以优化冷却⽅案，改善冷却效果。
4）结构强度、疲劳仿真。
利⽤结构分析软件研究电机电器在机械载荷和热载荷作⽤下的强度、刚度、振动和疲劳寿命，可提⾼设备的可靠性。
5）噪声分析。
模拟结构振动噪声和电磁噪声。
电磁仿真稳态磁场分析: 激励不随时间变化,如永磁体的磁场、稳恒电流产⽣的磁场等谐性磁场分析: 激励按正余弦规律变化,如感应式电机瞬态磁场分析: 激励随时间⽆规律变化混合励磁车⽤发电机三维电磁场有限元⽹格发电机永磁励磁的磁密分布转⼦磁感应强度⽮量右视图定⼦磁感应强度⽮量值定⼦磁场强度标量值定⼦磁场强度⽮量值转⼦磁场强度⽮量通过温度场计算,得到电机整机或部件的温度分布、热量的获取和损失、热梯度、热流密度等.稳态温度场分析:热源不随时间变化瞬态温度场分析:热源随时间变化定⼦铁⼼与机座温度分布上机架和定⼦温度分布电机流场分析电机结构分析部件刚强度计算接触应⼒计算固有频率计算动态响应计算临界转速计算⾼速发电机转⼦轴应⼒计算发电机转⼦轴应⼒计算定⼦和上机架联合计算序号⼯况载荷1起吊运输⼯况⾃重额定扭矩，正常运⾏⼯况2正常运⾏⼯况磁拉⼒，⾃重，温升半数磁极短路磁拉⼒3半数磁极短路⾃重，温升4地震⼯况地震加速度正常运⾏⼯况结构综合应⼒正常运⾏⼯况结构径向变形半数磁极短路⼯况结构综合应⼒半数磁极短路⼯况结构径向变形下机架有限元模型图结构应⼒分布云图载荷:⽔推⼒、机组转动、部分总重量定⼦铜环引线结构强度计算循环对称模型定⼦铜环引线结构整体应⼒分布短路⼯况,铜环引线发热定⼦铜环引线⽀架应⼒分布定⼦铜环引线结构变形分布主轴法兰强度分析发电机最⼤容量时主轴法兰应⼒强度发电机半数磁极短路⼯况时主轴法兰应⼒强度联轴器应⼒和紧量计算汽轮发电机转⼦齿头和槽楔应⼒计算计算模型应⼒分布发电机端部振动模态分析俄制500MW汽轮发电机定⼦端部振动模态分析电磁⼲扰⼒下的定⼦振动定⼦铁⼼的各个部位响应值曲线临界转速计算传递矩阵法计算有限元法计算⽂章来源：伺服与运动控制。
电机电磁场CAE有限元分析探讨
Thank you
其二设计者在数值计算前由于数据前处理过程单调数据量浩繁其工作量约占整个有限元分析工作量的80因此电机电磁场数值计算的工程应用研究已经提到较重要的位置即如何从电机设计者角度出发将较成熟的求解电机电磁场的数值算法如有限元法在过程上通用化操作上简捷化数据管理上自动化让电机设计者真正将有限元法作为一种求解电机电磁场的通用工具正如会使用计算器的人并非必须了解其工作原理机器语言数码显示等
电机C术的迅猛发展与社会需求日趋多样化，市场变化 频繁，竞争激烈。表现在电机产品方面，产品更新换代的周期越来越短，产品的性能、 质量、价格以及交货期的竞争越来越激烈。对大数电机厂来说，一个明显的特点是多 品种、小批量生产占主导地位。在进行多品种、小批量生产时，由于产品的品种和工 艺过程的多样性，环境条件(如用户订货、外购、外协、交货期等)的不确定性，以及 生产计划与生产调度的动态性等因素，致使物料过程复杂多变，信息流的数据和信息 庞杂，信息的处理、贮存与传输频繁。因此，按常规的单件生产或按刚性自动化的方 式都无法适应，必须解决物流既具高效自动化，又具生产“柔性”即柔性自动化的问 题;同时，也必须相应地解决信息流(包括产品设计、工艺设计以及生产管理)的自动化 问题。所谓柔性(flexibility)是指，当生产对象改变时，具有灵活的适应性。
电机电磁场有限元分析
电机电磁场是工程领域中所遇电磁场的一种，电磁场问题的理论基础是Maxwell方程组，各种 电磁场问题均可等价于数学领域中偏微分方程的初、边值问题。 电机电磁场所包含的类型很多，如按场源是否随时间变化可分为稳态场与时变场;按求解区域 的媒介线性与否可分为线性、非线性问题;按电磁场位函数的维数可分为一维、二维、三维问题。 就从电机电磁场分布区域来看，也有气隙磁场、端部磁场、铁心磁场、电枢导线涡流场等;从理论 上讲，用数值方法可以解决上述问题，但实际工程应用中，即使是基本的二维稳态电机电磁场问 题，电机设计者也较少从场的观点出发，采用有限元或其它数值法进行求解，究其原因，除客观 条件限制外，主观上仍有两方面：其一是要用有限元或其它数值法求解电机电磁场问题，则设计 者本身至少要精通该数值方法的理论及过程、相应的计算机程序语言及数据结构、输入数据文件 的建立，有时还要进行必要的程序修改、编译等;其二，设计者在数值计算前，由于数据前处理过 程单调、数据量浩繁，其工作量约占整个有限元分析工作量的80%，因此，电机电磁场数值计算的 工程应用研究已经提到较重要的位置，即如何从电机设计者角度出发，将较成熟的求解电机电磁 场的数值算法如有限元法在过程上通用化，操作上简捷化，数据管理上自动化，让电机设计者真 正将有限元法作为一种求解电机电磁场的通用工具，正如会使用计算器的人，并非必须了解其工 作原理、机器语言、数码显示等。
CAE课有限元分析理论基础
类型。
精度要求
03
根据问题对精度的要求，选择足够高阶的有限元以保证求解精
度。
常用有限元的介绍
四面体有限元
适用于解决三维问题，具有较高的计算效率 和适应性。
壳体有限元
适用于解决薄壁结构问题，能够模拟结构的 弯曲和变形。
六面体有限元
适用于解决二维和三维问题，精度较高但计 算效率较低。
梁有限元
适用于解决细长结构问题，能够模拟结构的 轴向拉伸和弯曲。
CAE课有限元分析理论基础
目 录
• 引言 • 有限元分析的基本原理 • 有限元的分类和选择 • 有限元分析的实现过程 • 有限元分析的应用实例 • 结论与展望
01 引言
目的和背景
目的
有限元分析（FEA）是一种数值分析方法，用于解决复杂的工程问题，如结构 分析、热传导、流体动力学等。本课程旨在使学生掌握有限元分析的基本原理 和应用。
弯曲有限元
适用于解决大变形问题，如结 构动力学、流体动力学等。
非线性有限元
适用于解决非线性问题，如塑 性力学、断裂力学等。
耦合有限元
适用于解决多物理场耦合问题 ，如流体-结构耦合、电磁-热
耦合等。
有限元的选择
问题特性
01
根据问题的物理特性、边界条件和求解精度要求选择合适的有
限元类型。
计算资源
02
考虑计算资源的限制，选择计算效率高、内存占用小的有限元
04 有限元分析的实现过程
建立模型
确定分析对象和边界条件
首先需要明确分析的对象和所受的边界条件， 这是建立有限元模型的基础。
几何建模
根据分析对象的特点，利用CAD软件建立几何 模型。
模型简化
CAE仿真技术在电机产品设计中的应用
CAE仿真技术在电机产品设计中的应用简介电机是一个集电气、机械、动力学、散热、电子电路、控制系统等众多学科综合于一体的复杂系统。
在实际研制过程中，我们必须考虑电机的电磁设计、机械设计、热设计以及多物理场耦合等方面的问题。
✓电机空间磁密分布、气隙磁密分布✓电机动态磁场效应✓电机启动/停止性能✓电机电磁力/力矩计算✓涡流分析✓电机损耗（铜损、涡损、铁损）✓定转子应力和变形（强度问题）✓转子动力学、临界转速✓定转子振动、噪声✓转轴扰度、强度计算✓电机装配（过盈配合、螺栓预紧）✓疲劳寿命电机机械结构分析问题电机电磁场分析问题✓电机结构温升✓结构传热与流体散热分析✓冷却系统（风冷、水冷）设计✓热变形和热应力✓电磁生热（电磁和热的耦合）；✓通风冷却（流场和热的耦合）；✓热应力和热变形（热和结构的耦合）；✓电磁振动（电磁和结构的耦合）；✓振动噪声（电磁、结构和声场的耦合）✓气动噪声（流场和声场的耦合）几何建模：Ansys DesignModeler、ANSYS SCDM结构仿真分析：ANSYS Mechanical疲劳寿命分析：Ansys nCode Designlife、Fe-safe、Ansys Fatigue流体仿真分析：Ansys CFX、Fluent、ICEM CFD、HPC电磁以及多物理场耦合分析：Ansys Multiphysics、ANSYS Mechanical/Emag、Ansys Maxwell 设计优化分析：Ansys DesignXplorer相关CAE软件模块：电机多物理场耦合分析问题电机散热流动分析问题。
cae与有限元分析解析
cae与有限元分析解析在现代工程设计领域，计算机辅助工程（Computer-Aided Engineering, CAE）和有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）解析是两种不可或缺的工具。
它们可以为设计工程师提供准确、有效的技术支持，从而提高产品的可靠性和可持续性。
CAE是借助计算机技术来辅助工程设计的一种方法。
它涉及多个领域，如结构力学、流体力学、热力学和电磁学，能够预测产品性能并进行设计优化。
CAE可以模拟真实环境中的场景，例如承受荷载或受到碰撞等情况。
设计师可以使用CAE模型来预测产品在遇到这些情况时的行为，并进一步优化设计。
FEA是CAE领域中的一个常见分支。
它是一种数值算法，可以用于模拟结构、流体、热和电问题中的物理现象。
FEA可以将复杂的工程流程简化成简单的线性和非线性方程，并用计算机软件来解决。
FEA程序可以生成2D和3D模型，并通过应变、力等场值来分析其性能。
得到负载和反馈信息后，设计师可以做出相应的改进。
和其他建模方法相比，FEA的最大优点是其细节层面的分析能力。
FEA可以模拟大量不同结构的应力和应变状态，包括复杂设计中的混合材料。
它还能够对所有结构组件执行高级的力学和热学分析。
这种方法还可以提供许多其他带来的优势，如减少模型误差、提高设计安全等。
虽然有许多表明这种方法的好处，但FEA同样存在一些挑战。
设计师必须对数值方法具有充分的理解，并了解FEA程序中所使用的技巧和策略。
用户还需要应对外部因素的影响，比如温度对材料性能的影响。
因此，如果工程师没有经验或知识水平较低，则可能会遇到许多问题。
在设计产品过程中，使用CAE和FEA可以最大化减少设计过程中的错误，并增强工程估算的准确性。
由于这些工具的广泛应用，工程师们再次获得作为真正的技术专家的机会。
他们可以快速、准确地模拟并分析产品的性能，以提供安全、可靠并高效的产品。
总之，CAE和FEA解析作为现代工程设计领域的关键工具，已经得到了广泛的应用。
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电机的电磁场CAE有限元分析综论
本文详细讨论了电机的电磁场CAE有限元分析的相关内容。
一、计算机辅助工程(CAE)
计算机辅助工程是随着CAD/CAM技术的发展而出现的一种新技术，它的含义和功能范围还没有统一的提法，有些专家将CAE看成是包含工程分析在内的广义的CAD/CAM，同时由于CAE在机械工程中的应用最广泛(如铁路货车产品结构有限元分析系统)，因而把广义的CAE称做MCAE。
但是，很多数学者目前还是把CAE看成是以计算力学为基础，以计算机仿真(模拟)为手段的工程分析技术，并相应地把它归入广义的CAD功能中，作为实现产品优化设计的主要支持模块。
按照后一看法，CAE 技术包括有限元FEM和边界元BEM分析、运动机构分析、气动或流场分析、电路设计和磁场分析等。
其中有限元分析在机械CAD中应用最广泛。
这种方法，首先在几何上把分析对象划分成有限个单元，由互相交叉的网格节点形成有限个元素，然后通过计算每个单元或节点的特性，分析整体的特性。
有限元分析法是近20年来发展起来的技术，随着应用规模和范围的不断扩大，其理论和技术日益完善，它最突出的优点是通用性强，可用于工程结构力学、热传导、液压、气动力学等的分析中，适用于包括电子、航空、航天在内的各种机械工程领域。
同时，对于各类工程分析问题，有相当一部分相似的处理过程，因而非常适用于标准化。
二、电机CAE的发展
20世纪70年代以来，随着科学技术的迅猛发展与社会需求日趋多样化，市场变化频繁，竞争激烈。
表现在电机产品方面，产品更新换代的周期越来越短，产品的性能、质量、价格以及交货期的竞争越来越激烈。
对大数电机厂来说，一个明显的特点是多品种、小批量生产占主导地位。
在进行多品种、小批量生产时，由于产品的品种和工艺过程的多样性，环境条件(如用户订货、外购、外协、交货期等)的不确定性，以及生产计划与生产调度的动态性等因素，致使物料过程复杂多变，信息流的数据和信息庞杂，信息的处理、贮存与传输频繁。
因此，按常规的单件生产或按刚性自动化的方式都无法适应，必须解决物流既具高效自动化，又具生产“柔性”即柔性自动化的问题;同时，也必须相应地解决信息流(包括产品设计、工艺设计以及生产管理)的自动化问题。
所谓柔性(flexibility)是指，当生产对象改变时，具有灵活的适应性。
在电机工程中的应用主要有以下几个方面：
1、计算机辅助电机设计：这是利用计算机帮助人们设计出最佳的电机;
2、计算机辅助电机工程图的绘制;
3、计算机辅助电机电磁场、温度场和应力场的计算。
过去，电机中场的求解只限于应用解析法和图解法。
这些方法的应用，一般限制在边界条件简单而媒质为线性的场合。
计算机和计算技术的发展为电机中复杂的场问题数值解提供了条件，从而可以将现代数值解中的差分法、有限元法和边界元法等方法，在利用计算机技术的基础上去求解电机中的各种线性和非线性的稳定场或瞬变场的问题，并获得较满意的结果。
计算机具有大容量和可靠记忆能力、快速的数据处理能力和检索能力，这些能力正好与人的特长互补;另一方面，人只要以程序化的方式赋予计算机一定的智能，计算机即可替代人的思维进行逻辑判断与推理，起着“专家”的作用;此外，计算机是可编程的，具有极大的柔性。
因此，计算机是解决电机产品多品种、小批量生产柔性自动化的最佳途径。
三、电机电磁场有限元分析
电机电磁场是工程领域中所遇电磁场的一种，电磁场问题的理论基础是Maxwell方程组，各种电磁场问题均可等价于数学领域中偏微分方程的初、边值问题。
电机电磁场所包含的类型很多，如按场源是否随时间变化可分为稳态场与时变场;按求解区域的媒介线性与否可分为线性、非线性问题;按电磁场位函数的维数可分为一维、二维、三维问题。
就从电机电磁场分布区域来看，也有气隙磁场、端部磁场、铁心磁场、电枢导线涡流场等;从理论上讲，用数值方法可以解决上述问题，但实际工程应用中，即使是基本的二维稳态电机电磁场问题，电机设计者也较少从场的观点出发，采用有限元或其它数值法进行求解，究其原因，除客观条件限制外，主观上仍有两方面：其一是要用有限元或其它数值法求解电机电磁场问题，则设计者本身至少要精通该数值方法的理论及过程、相应的计算机程序语言及数据结构、输入数据文件的建立，有时还要进行必要的程序修改、编译等;其二，设计者在数值计算前，由于数据前处理过程单调、数据量浩繁，其工作量约占整个有限元分析工作量的80%，因此，电机电磁场数值计算的工程应用研究已经提到较重要的位置，即如何从电机设计者角度出发，将较成熟的求解电机电磁场的数值算法如有限元法在过程上通用化，操作上简捷化，数据管理上自动化，让电机设计者真正将有限元法作为一种求解电机电磁场的通用工具，正如会使用计算器的人，并非必须了解其工作原理、机器语言、数码显示等。
由于有限元理论已比较完备，相应的计算方法及软件已在工程领域中作为分析计算的工具，因此，电机设计人员更关心如何应用有限元法来分析计算电机电磁场，即有限元前(后)处理。
1、有限元前处理：是指在有限元分析程序运行以前，针对某一具体问题所必须的所有数据的准备工作。
就电机电磁场而言，它主要包括求解区域的确定、几何模型描述、区域网格剖分、节点、单元编号及优化、各种信息数据生成等。
2、有限元后处理：进行电机电磁场有限元分析的目的，是让电机设计者对电机磁场有清晰直观的认识，而有限元法作为一种数值算法，其分析计算的结果因数据浩繁，不便分析评价。
将这些数据转换成工程领域所熟悉的各种图、曲线、表格等对工程分析及设计评价是很必要的，这就要用到有限元后处理。
目前有限元分析系统(前处理、有限元求解、后处理)发展的总趋势是与CAD系统集成化，以形成设计、计算、优化、分析、绘图的集成化软件系统，国际上较著名的有限元软件系统有ANSYS等。