电机控制系统集成和多物理域耦合设计—open
ansys maxwell+workbench 2021 电机多物理场耦合
ansys maxwell+workbench 2021 电机多物理场耦合1. 引言1.1 概述本文旨在介绍ANSYS Maxwell+Workbench 2021在电机多物理场耦合方面的应用。
随着现代电力技术的迅猛发展，电机在各个领域中扮演着重要角色。
然而，电机设计与优化面临着许多复杂的问题，包括电磁场、结构和热场等多种物理场的相互影响。
因此，通过使用ANSYS Maxwell+Workbench工具来实现电机多物理场耦合模拟是一种有效的方法。
1.2 文章结构本文将分为五个部分进行阐述。
首先，在引言部分进行概述，并介绍文章结构。
第二部分将简要介绍ANSYS Maxwell+Workbench 2021工具的基本背景和功能特点。
接下来的第三部分将解析电机多物理场耦合的概念和原理，以便读者更好地了解该主题。
第四部分将重点介绍ANSYS Maxwell+Workbench在电机多物理场耦合中的应用，包括Maxwell在电磁场建模中的应用以及Workbench 在结构和热场建模中的应用，并通过实例讲解详细说明其使用方法。
最后，在第五部分对实验结果进行总结与分析，并展望该领域未来的发展趋势和应用前景。
1.3 目的本文的目的是向读者介绍ANSYS Maxwell+Workbench 2021工具在电机多物理场耦合中的应用。
通过了解该工具的基本背景、功能特点以及原理，读者能够更好地了解电机设计优化过程中多物理场相互耦合的问题，并学习如何使用ANSYS Maxwell+Workbench进行模拟和分析。
希望该文章能为电机设计和优化提供一定的指导，并对相关领域的研究人员和工程师有所帮助。
2. ANSYS Maxwell+Workbench 2021简介：2.1 ANSYS Maxwell简介：ANSYS Maxwell是一款电磁场仿真软件，旨在帮助工程师和设计师将电磁设计与虚拟原型建模相结合。
它提供了广泛的功能和工具，用于建模、分析和优化各种设备和系统中的电磁场问题。
电机的耦合
电机的耦合电机的耦合是指在同一系统中多个电机之间存在一定的物理或电磁耦合关系。
耦合现象可能会对电机系统的正常运行产生影响，因此，了解和掌握电机的耦合规律是电机工程师进行系统设计和故障诊断的重要基础。
一、电机耦合的分类根据耦合机理和影响方式，电机的耦合可以分为以下几种类型：1. 机械耦合：多个电机通过共享同一轴或传动装置而相互耦合。
这种耦合方式在许多工业领域广泛应用，如机床、印刷机等。
机械耦合可能会导致传动装置的失调、振动和噪声增加等问题。
2. 磁场耦合：多个电机之间的电磁场相互作用导致耦合效应。
这种耦合方式在直流电机、同步电机和感应电机等电力传动系统中比较常见。
磁场耦合可能会造成磁场干扰、电磁振荡和冗余损耗等问题。
3. 控制耦合：多个电机之间的控制信号相互干扰，导致电机系统的控制性能下降。
这种耦合方式主要出现在采用集中控制的电机系统中，如机器人、自动化生产线等。
控制耦合可能会导致控制信号误差增加、动态响应变差等问题。
二、电机耦合的影响电机的耦合现象可能对电机系统产生以下一些影响：1. 性能下降：电机之间的耦合会导致电机系统的控制性能下降，如动态响应速度变慢、定位精度降低等。
这对于某些高要求的应用场合，如精密加工设备、医疗器械等，是不可忽视的问题。
2. 功耗增加：电机之间的耦合可能导致一些冗余功耗的产生，增加系统的整体功耗。
这会对能效要求较高的应用领域，如节能电机、电动汽车等，带来一定的影响。
3. 故障扩散：电机系统中的一个故障可能因为耦合效应的存在而扩散到其他电机上，导致系统中多个电机同时出现故障。
这需要在电机设计和故障诊断中进行综合考虑和防范。
三、电机耦合的控制与故障诊断为了减小电机耦合的影响，电机工程师可以采取以下措施：1. 合理的布置和隔离：在电机系统设计中，合理安排电机之间的空间布局和布线，并采取隔离措施，减小电机之间的物理和电磁耦合效应。
2. 优化控制策略：通过优化控制算法和参数调节，降低电机之间的控制耦合。
机电一体化技术知识点总结
机电一体化技术知识点总结机电一体化技术是将机械技术、电子技术、信息技术、传感器技术和控制技术等多种技术有机结合，并综合应用于实际产品和系统中的一门交叉学科。
它旨在实现机械系统与电子系统的协同工作，提高产品的性能、质量和可靠性。
以下是对机电一体化技术相关知识点的总结。
一、机械技术机械技术是机电一体化的基础，包括机械设计、机械制造、机械传动等方面。
在机电一体化系统中，机械结构需要满足高精度、高刚性、轻量化等要求。
例如，采用新型材料和先进的制造工艺来减轻机械部件的重量，提高其强度和精度；优化机械传动系统，减少传动误差和能量损耗。
二、电子技术电子技术包括电子电路、数字电路、模拟电路、集成电路等。
在机电一体化系统中，电子技术用于实现信号的采集、处理、传输和控制。
例如，传感器将物理量转换为电信号，经过放大、滤波等处理后，由微控制器进行分析和决策，然后通过驱动电路控制执行机构的动作。
三、信息技术信息技术在机电一体化中起着至关重要的作用，主要包括计算机技术、通信技术和网络技术。
计算机技术用于系统的建模、仿真、优化和控制；通信技术实现系统内部各部分之间以及系统与外部环境之间的信息交换；网络技术则使多个机电一体化系统能够实现互联和协同工作。
四、传感器技术传感器是机电一体化系统获取外界信息的关键部件，能够将物理量、化学量等非电量转换为电量。
常见的传感器有位移传感器、速度传感器、压力传感器、温度传感器等。
传感器的精度、灵敏度、稳定性和可靠性直接影响到系统的性能。
五、控制技术控制技术是机电一体化系统的核心，包括经典控制理论和现代控制理论。
经典控制理论主要用于单输入单输出线性定常系统的分析和设计；现代控制理论则适用于多输入多输出、非线性、时变等复杂系统。
控制算法如 PID 控制、模糊控制、神经网络控制等在机电一体化系统中得到广泛应用。
六、执行机构执行机构是将控制信号转换为机械动作的部件，如电机、气缸、液压马达等。
电机是最常见的执行机构，包括直流电机、交流电机和步进电机等。
风力发电机组多领域耦合建模与分析
风力发电机组多领域耦合建模与分析随着全球对可再生能源的日益重视，风力发电已经成为了现代能源领域不可或缺的一部分。
其中，风力发电机组作为风力发电的核心装置，其在能源产业中的重要性也不容小觑。
然而，要使风力发电机组能够更高效地工作，避免故障和损坏，必须对其进行深入的研究和分析。
本文将介绍风力发电机组多领域耦合建模与分析的相关内容。
一、风力发电机组的多领域耦合为了更好地理解风力发电机组的多领域耦合，我们先来看一下风力发电机组的基本工作原理。
风力发电机组通过将风能转化为机械能，再由电机将机械能转化为电能，最后将电能输送到电网中。
其中，风力机、变速器、发电机、变流器等部件相互协同工作，完成了风力发电机组的转换过程。
由于风力发电机组是由多个不同领域的部件组成的，各个部件之间存在着相互作用和影响。
换句话说，风力发电机组的各项参数之间相互联系，它们之间的耦合作用非常显著。
例如，风力机的风速和方向会影响到变速器、发电机的工作效率；变速器的质量和齿轮系统的损耗会影响发电机的输出功率；变流器的电网电压和负载特性直接影响到风力发电机组的发电效率及其稳定性等等。
这样看来，仅仅对每个部件的性能进行分析是远远不够的。
只有建立一种全面综合的模型才能更好地研究风力发电机组多领域耦合的现象。
二、风力发电机组的多领域耦合建模建立风力发电机组的多领域耦合模型，需要考虑到多个方面的因素。
通常情况下，可能涉及到机械传动、流体动力学、电磁场等多个领域的知识。
因此，建模会涉及到不同的技术手段和工具。
在建模过程中，要首先将各个部件的单独模型建立起来。
例如，可以考虑机械传动的建模，通过力学的知识，可以建立各个部件之间的转动传动模型。
同样地，电磁场模型建立，也可以考虑传统的电磁场理论和实验测量等。
在流体动力学建模方面，可以通过CFD（计算流体力学）和实验分析等手段，对流场和风场进行建模，甚至可以应用人工神经网络、遗传算法等人工智能技术。
对于上述各种单独模型，需要完成参数校准、验证和调优，以便能够使用它们建立多领域耦合模型。
某电机多物理场耦合分析
某电机多物理场耦合分析电机多物理场耦合分析是指在电机工作过程中，考虑多个物理场之间的相互作用，综合分析电磁场、热场、结构场等多个物理场之间的耦合关系。
电机作为一种能够将电能转换为机械能的设备，在其运行过程中会受到电磁力、热能损失、结构强度等多种因素的影响，要准确地分析和理解电机的工作原理和性能特征，就需要对电机的多物理场耦合进行详细的分析和研究。
首先，电磁场与热场的耦合分析是电机多物理场耦合分析的核心内容之一、电机通过电磁场的作用来实现能量转换，而电磁场的产生和分布与电机内部的热量产生和分布有密切关系。
在电机工作过程中，电流通过线圈产生磁场，线圈本身的电阻会产生热量，而电机的热量又会影响电流的分布和线圈的磁场特性。
因此，对电机电磁场和热场之间的耦合关系进行分析和研究，对于提高电机的效率和性能具有重要意义。
其次，电机的结构场和热场之间的耦合分析也是电机多物理场耦合分析的一个关键问题。
电机的结构特性和材料的热导率等因素会影响电机内部热量的传导和分布，从而对电机的热场特性产生影响。
另一方面，电机在工作过程中会受到机械应力的作用，机械应力会导致电机的结构变形和应力集中，从而影响电机的热场分布和热传导特性。
因此，通过对电机的结构场和热场之间的耦合关系进行分析和研究，可以更好地理解电机的机械性能和热特性。
最后，电磁场与结构场的耦合分析也是电机多物理场耦合分析的重要内容之一、电机在工作过程中会受到电磁力的作用，而这些力会导致电机的结构变形和结构应力的分布。
另一方面，电机的结构特性和结构材料的性质也会影响电机的电磁场特性和电磁场分布。
因此，通过对电机的电磁场与结构场之间的耦合关系进行分析和研究，可以更准确地预测电机的机械特性和电磁特性。
综上所述，电机多物理场耦合分析是一项复杂而又关键的研究内容，可以从电磁场与热场的耦合分析、电机的结构场与热场之间的耦合分析以及电磁场与结构场的耦合分析等多个角度来进行研究和分析。
CANopen协议及在电动机控制系统中的应用 (1)
万方数据万方数据万方数据万方数据CANopen协议及在电动机控制系统中的应用作者：李澄， 赵辉， LI Cheng， ZHAO Hui作者单位：哈尔滨工业大学,控制与仿真中心,哈尔滨,150001刊名：微电机英文刊名：MICROMOTORS年，卷(期)：2009,42(4)被引用次数：4次参考文献(6条)1.任玮蒙;陶维青基于CAN总线的高层协议CANopen[期刊论文]-自动化技术与应用 2007(4)2.何光宇;胡正针对工业控制的CANopen系统[期刊论文]-微计算机信息 2003(12)3.吕京建;张宏韬CAN总线的浅析-CANopen协议 2002(09)4.H Boterenbrood CANopen High-level Protocol for CAN-bus 20005.邬宽明CAN总线原理和应用系统设计 19966.Keb Combicom KEB-F5-CAN-Interface Manual 2002本文读者也读过(10条)1.叶爱兵.郑华耀.陈巨涛.YE Ai-bing.ZHENG Hua-yao.CHEN Ju-tao基于CANopen的协议分析系统设计与实现[期刊论文]-扬州大学学报（自然科学版）2009,12(3)2.饶怡欣.胥布工.匡付华.Rao Yixin.Xu Bugong.Kuang Fuhua基于CANopen的电动执行机构远程监控主站的实现[期刊论文]-计算机测量与控制2010,18(2)3.曹庆年.赵博.孟开元.CAO Qing-nian.ZHAO Bo.MENG Kai-yuan CANopen协议在工业控制网络中的应用[期刊论文]-西安石油大学学报（自然科学版）2009,24(4)4.陈在平.王峰.CHEN Zai-ping.WANG Feng基于CANopen协议从节点研究[期刊论文]-制造业自动化2010,32(2)5.基于CANopen协议实现多电机系统实时控制[期刊论文]-微电机2009,42(9)6.广州致远电子有限公司.Zhiyuan Electronics CANopen协议简介[期刊论文]-电子技术应用2009,35(7)7.刘磊.李长春.田颖.卢青春.LIU Lei.LI Chang-chun.TIAN Ying.LU Qing-chun基于CANopen协议的交流测功机控制系统研究[期刊论文]-车用发动机2010(3)8.邓遵义.NING Yi.DENG Zun-yi.NING Yi基于CANopen协议的主节点通讯实现[期刊论文]-微计算机信息2008,24(23)9.王俊波.胥布工.Wang,Junbo.Xu,Bugong CANopen协议分析与实现[期刊论文]-微计算机信息2006,22(17)10.广州致远电子有限公司.Zhiyuan Electronics CANopen现场总线主、从站系统解决方案[期刊论文]-电子技术应用2009,35(5)引证文献(4条)1.马骏.黄攀峰一种网络化伺服电机运动控制系统设计[期刊论文]-计算机测量与控制 2011(1)2.刘国鹏.贾有生.张波.武鹏CANopen协议在煤矿采掘设备电控系统中的应用[期刊论文]-工矿自动化 2011(9)3.张宇腾.王冰.邬昌茂基于μC/OS-Ⅱ的无人驾驶车辆分布式车体控制系统开发[期刊论文]-微型电脑应用2010(9)4.赵飞.陈冰.陈幼平基于CANopen协议的同步运动控制器[期刊论文]-机械与电子 2010(12)本文链接：/Periodical_wdj200904008.aspx。
【流体】10个目前流行的CFD仿真软件，你了解几个？
【流体】10个目前流行的CFD仿真软件，你了解几个？说到仿真计算流体力学软件（CFD软件），大家都耳熟的有ANSYS Fluent、cfx、STAR-CCM、comsol、OpenFOAM、Phoenics等等。
它们都有各自的仿真优势和市场。
但是，CFD仿真软件多了，容易让我们迷茫。
一方面，我们不可能全部软件都学会；另一方面，我们很少人明白它们各自的优缺点，这点对于仿真一些特殊问题时候选对软件会很关键。
下面为您介绍10个目前流行的CFD 软件。
1. ANSYS Fluent使用领域：流体流动、多相流、流固耦合、动网格、传热与辐射、燃烧和化学反应、声学和噪声。
特点：提供丰富的湍流模型和多相流模型，模型都有精确验证过。
方便与ANSYS平台其他仿真模块进行多物理场仿真。
介绍的资料和书本最多，方便上手。
市场占有率高。
2. Phoenics使用领域：流体流动、多相流、传热传质、燃烧和化学反应、暖通建筑。
特点：提供丰富的湍流模型和多相流模型。
软件自带1000多个例题，方便学习。
最大限度的向用户开放了程序，用户可以任意修改和添加各种程序和模型。
3. cfx使用领域：流体流动、传热、辐射、多相流、化学反应、燃烧。
可满足泵、风扇、压缩机、燃气涡轮和水力涡轮等旋转机械应用的需求。
特点：是全球第一个发展和使用全隐式多网格耦合求解技术的商业化软件。
一直占据着80%以上的旋转机械CFD市场份额。
2003年被ANSYS收购，方便与ANSYS平台其他仿真模块进行多物理场仿真。
4. STAR-CCM使用领域：流动、传热、应力、噪声、多相流、燃烧。
特点：搭载了CD-adapco独创的最新网格生成技术，使用CD-adapco倡导的多面体网格，相比于原来的四面体网格，在保持相同计算精度的情况下，可以实现计算性能约3～10倍的提高。
能很好地支持船的前期设计研究，目前在船类行业应用甚广。
5. OpenFOAM使用领域：可以模拟复杂流体流动、化学反应、湍流流动、换热分析等现象，还可以进行结构动力学分析、电磁场分析。
第1章 电力电子与电机系统集成概述
2.虚拟试验平台系统
图1-28 智能电子电机组成图
2.虚拟试验平台系统
图1-29 系统目标框图
3.电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)
克服电磁干扰是电力电子与电机控制集成系统安 全可靠运行的关键问题。集成系统中的EMI和EM C研究内容包括：采用仿真方法，对以IGBT、MO SFET等快速开关器件为主的电磁噪声源的耦合途 径及其对系统的电磁干扰水平进行研究；着眼于 在设计阶段就对电磁干扰水平有所预见，通过合 理设计电路，抑制电磁干扰水平；通过研究典型 电力电子线路中电磁源的特性及其影响因素，降 低电磁噪声强度的有效方法；采用场路结合方法， 编写分析计算程序；采用分析软件对电气线路中 的电磁噪声进行预估；计算电力电子线路中电磁 噪声源形成的辐射场(近场)在导体中感应的电压 (电流)及其对其他器件的影响等。
6.同步磁阻永磁电机
图1-4 同步磁阻电机不同时期的结构形式
7.开关磁阻电机
1)永磁类电机由于其结构多样化、功率密度高、性能优良而得到越来越多 的应用，逐步替代交流异步电机和电励磁同步电机。 2)随着电力电子技术的发展，电子换向器逐步替代机械式换向器。 3)电机运行越来越多地与控制技术紧密相连，两者成为不可缺一的整体。
1.1.2 电机的结构与原理
1.电励磁机械换向式直流电机
2.永磁机械换向器直流电机 3.异步电机 4.电励磁同步电机 5.永磁同步电机 6.同步磁阻永磁电机 7.开关磁阻电机
1.电励磁机械换向式直流电机
图1-3 各种电机结构示意图
2.永磁机械换向器直流电机
将电励磁机械换向式直流电机中的电励磁磁极换成永 磁励磁，其他部分结构不变，即为永磁机械换向器直 流电机。两者主要差别在于后者的永磁励磁不能调节， 但不需要外接励磁电源。
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Electromagnetic Forces Structural Analysis • Stress • Deformation
12 © 2011 ANSYS, Inc.
Temp. EM Losses
Thermal FE Analysis • Temp Distribution Temperature
Uc1
R12
N0023 V VM2
R8
+
T2 T1
R3
R6
2.7k PNP11 R14
T1
T4
T4
TRANS1
STATE1
R5
TRANS3
N0053
STATE3 Resolver_Cable_6twists1 Resolver_Cable_6twists2 Resolver_Cable_6twists3 Resolver_Cable_6twists4 Resolver_Cable_6twists5
4
HFSS SI Wave ICEPAK Structural Multibody Dynamics Q3D
© 2011 ANSYS, Inc. October 8, 2012
Co‐simulation
ROM
Power Electronics (Drive Analysis) • FFT • Torque • Switching / Control topology ROM: Reduced Order Models
5
© 2011 ANSYS, Inc.
October 8, 2012
应用案例：永磁同步电机矢量控制系统，无缝集成用
户自定义C/C++、VHDL‐AMS代码
VHDL-AMS
PWM inverter Model UHS Motor Model
VHDL-AMS
(Digital）
FPGA Model
6
© 2011 ANSYS, Inc.
T3 T2
910.00m
T6 T5
500.00m
Resolver_Cable_6twists
T3 T2 2DGraphSel3 T1
R1.V [V] VM5.V [V]
Resolver_Cable_6twists
T6 T5
910.00m 2DGraphSel3 500.00m 0 -500.00m -910.00m R2.V [V] VM6.V [V]
S_ROTB1... Position_o..
T2 T1 ICA:
Position_out_final:=0 Resolver_Cable_6twists
T2 T1
Vin_ref:=0 Vo_square:=0
Pulse_pos:=abs(Vin_ref+Vo_square)/2 Position_out:=0 Position_out_temp:=0
out11
E1
E2
E4
9.10 7.50 5.00 2.50 250.00m Excit... Excit...
VM5
out12
R17
200
R1
Cable_Out_Cos
N0087 N0053
out21
C1
47n
out22
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FEA
+
V
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Phase Shift 0
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GZ1
9.00m
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T4
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50.00
2DGraphSel3 Resolver_Cable_6twists6 Resolver_Cable_6twists7 Resolver_Cable_6twists8 Resolver_Cable_6twists9 Resolver_Cable_6twists10
SET: Vo_square:=1 TRANS4
3.30
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5.00m
10.00m
2DGraphSel3
N0086 T6 T5 T4 T3 T2 T1
Resolver_Cable_6twists
SET: Vin_ref:=-1 FML_INIT1
ICA:
TRC VM1.V < 0 Position
EQU
R4
R7 33
R15
VM4
T3
33 R16
T6 T5 T4
Resolver_Cable_6twists
T3 T2 T1
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Resolver_Cable_6twists
T6 T5 T4
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Resolver_Cable_6twists
T6 T5 T4
E2.V [V]
1.24k
250.00u
+
Magnitude Match
VM2
+
VM6
R10
V
C1
N0045 R7 442
R8
2.7k NPN11 R13
E6
+
R2
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OPV53 +
+
+ OPV51
-
OPV53
N0053
OPV52
-
+
V
Us1
N0051
OPV54 --
R9 R11
October 8, 2012
应用案例：旋变系统高精度设计，多域三者瞬态协同
仿真技术
1.24k R1 N0004
N0004 R2 442 N0012
+
+
E3
2.7k NPN1 R5 33 R9
V
VM1
source11 Rotor_21
S_ROTB1
OPV52
N0022
+ -
N0023
N0086
+
– Electromagnetic field <‐> Circuit and control
Multiphysics
– Electromagnetic field <‐> Heat and thermofluid – Electromagnetic field <‐> Stress and vibration
电机控制系统集成和多物理域耦合设计
雷华 ANSYS中国
1 © 2011 ANSYS, Inc. October 8, 2012
内容提要
电机控制系统集成化设计
电机电磁、流体耦合设计
电机电磁、结构、噪声耦合分析
2
© 2011 ANSYS, Inc.
October 8, 2012
电机控制系统集成化设计：自上而下的 设计和自下而上的验证流程 System level
EMI ‐ Motor Drive Prediction
Q3D Frequency Sweep ROM Coupling
T
+
A
A
A
Bus Bar Design Q3D Frequency Sweep
9 © 2011 ANSYS, Inc.
IGBT Package Design Q3D Frequency Sweep
PM Control Drive Design Simulink Coupling
PM Motor Design Maxwell Coupling
October 8, 2012
ANSYS平台：电机及控制系统多物理域、多层 次集成化设计
Simulink
10
© 2011 ANSYS, Inc.
October 8, 2012
TRANS7
STATE7
TRC Position_out>Position_out_final
3.50 2.00 0
VM1.V [V] VM4.V [V]
SET: t1:=t TRC (GZ1.VAL > 0) AND (Pulse_pos =0) STATE8 TRANS8 WAIT
NEW_MAX STATE5 TRANS5 SET: Position_out_final:=Position_out
October 8, 2012
Convective Coefficients
流程展示：电机多物理域耦合设计
From electromagnetic fields to heat, cooling, and stress
Electromagnetic field
13 © 2011 ANSYS, Inc.
内容提要
电机控制系统集成化设计
电机电磁、流体耦合设计
电机电磁、结构、噪声耦合分析
11
© 2011 ANSYS, Inc.
October 8, 2012
电机多物理域耦合设计流程
Analytical Motor Design • Geometry • Winding • Materials AutoSetup For FEA Vibration Analysis • Modal • Harmonic Electromagnetic Force ‐ FFT FE Motor Analysis • Efficiency • Inductance, Torque • Optimization Temp. Feedback Losses CFD Analysis • Temp Distribution • External Cooling