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BLDC电机实现质优价低,将走向更广泛应用
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BLDC电机实现质优价低,将走向更广泛应用

2021-07-07 09:42:00 来源:半导体器件应用网 点击:4144

【哔哥哔特导读】随着新材料的应用和新技术的迭代,BLDC电机将实现质优价低的突破,未来也将走向更广泛的应用场景。

BLDC是典型的机电一体化类电机,其设计过程是一个复杂的多学科综合问题,它涉及电磁、结构、流体、温度和控制等多个领域。随着新材料、新工艺以及各种电机新技术的发展,BLDC电机设计的要求越来越苛刻,精度要求也越来越高,传统的设计方法和手段已经不能满足现代电机设计的要求,必须借助于现代仿真技术才能解决各种设计难题。

针对电机永磁化、高速化、无刷化、数字化、集成化、智能化、高效节能化的发展趋势和相关技术挑战,安似科技(上海)有限公司(以下简称“Ansys”)能提供集成化设计解决方案和流程,高效实现电机从磁路法到有限元、从部件到系统、从电磁到多物理场耦合的多领域、多层次、集成化电机及驱动/控制系统设计。

BLDC电机实现质优价低,将走向更广泛应用

图1:3DMotorFlux

据了解,Ansys集成化电机设计流程主要包括:

1.电机快速设计和方案优选:采用电机磁路法设计工具RMxprt和电机多学科快速设计工具Ansys & Motor-CAD,快速实现电机的初始方案评估和优化设计,缩小电机的设计空间,并一键输出电机二维或三维有限元模型以及电机的系统仿真模型备用;

2.电机电磁场有限元精确优化设计:采用Maxwell二维或三维电磁场有限元仿真,并结合内置外电路或Simplorer控制电路,对电机有限元模型进行仿真设计和细节优化,并输出等效电路模型备用;

3.电机电磁、热耦合分析:采用Maxwell输出电机的几何模型和分布式损耗到Mechanical或FLUENT等工具中,进行电机温度场仿真,实现电磁、热单/双向耦合分析,预测电机在各种工况下的温升并优化散热系统设计;

4.电机优化设计:在电机初始设计阶段,采用Motor-CAD与专业优化设计工具Ansys optiSLang进行多学科快速综合优化;在电机高精度设计阶段,采用Maxwell与optiSLang、DesignXplorer相结合,实现包括电机电磁性能、NVH、散热设计在内的多物理场综合优化设计。

5.电机电磁、振动、噪声耦合分析:采用Maxwell输出电机的几何模型到Mechanical,利用Workbench和Ansys电机电磁、振动、噪声自动化耦合仿真流程,便捷地分析电机在各种工况下的结构应力、形变以及振动噪音。

6.电驱动系统集成化设计:采用Simplorer进行电机及控制系统仿真,结合SCADE嵌入式控制代码自动生成技术;结合Maxwell场路耦合、瞬态协同仿真技术;结合Q3D线缆、母排、IGBT寄生参数提取技术;对整个电驱动系统进行高精度仿真和性能优化。

BLDC从原理上看似简单,但是一款高性能、低成本的BLDC电机的研发却是具有一定难度与挑战。例如,对于应用家用电器领域的BLDC电机,要求其有更高的能效标准、更低的噪音、更低的成本。Ansys电机行业专家王杨认为,电机企业如果依然采用传统的基于物理样机试验的研发手段,是难以在较短的开发周期内解决这些问题的。一流电机企业的解决措施就是采用精确有限元仿真计算与优化设计算法相结合,在计算机中对成千上万种虚拟样机进行仿真测试,最终迭代出满足性能要求的最佳设计方案,这极大的节省了样机制作成本、缩短了开发周期。

BLDC电机实现质优价低,将走向更广泛应用

图2:expert-design-interfaces-1

从理论上来说,电机的效率和体积是一对矛盾,在电机减重的同时提升效率是具有非常大的难度。王杨表示,由于短期内电机材料与工艺很难有较大的突破,在此情况下提升电机能效的技术手段主要还是引入优化设计算法,将包括电机效率、体积、成本在内的性能指标作为优化目标,利用高精度的有限元仿真软件和高性能计算机,基于电机理论和优化算法在合理的设计空间内进行穷举设计,获得兼顾效率、体积、成本等的最优设计方案。

王杨表示,BLDC电机技术发展方向和其他各类中小型电机的技术发展方向基本一致,都是更加小型化、高效化,对于电机企业来说还有低成本化。从长期来看,新材料和新工艺的创新可以从根本上提高电机产品的综合性能,进而也可以促进电机磁路结构、散热结构的创新,例如成本更低、磁性能更好永磁材料,损耗更小、重量更轻的导电材料,热阻更小的绝缘材料等等。另外,随着电力半导体器件、专用的控制集成电路、无感控制算法等技术的进一步发展,也将使BLDC电机产品朝着更加专用化、集成化、智能化方向发展。

BLDC电机本质上是采用电子换向的交流电机,与有刷直流电机具有相同的运行特性,具有更高的可靠性。在过去20年中,BLDC电机在汽车、无人机、医疗设备、家用电器、电子消费产品中得到了大量的应用。王杨相信,随着相关技术的发展与创新,质优价低的BLDC电机将在未来几十年中大规模取代有刷直流电机,获得更加广泛的应用。

 

王杨:

Ansys电机行业专家,毕业于沈阳工业大学电机与电器专业,此后长期从事永磁电机研发设计相关工作,对Ansys低频电磁产品有深入了解,在电机工程仿真领域经验丰富。2019年加入Ansys公司,负责低频电磁仿真软件Maxwell和Motor-CAD等相关的电机行业支持推广工作。

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