将电磁仿真融入设计流程，这就是 EMAG 的出色之处

作者 John Wanjiku

电磁学 (EMAG) 和电气工程师可以熟练使用简化的 EMAG 计算机辅助工程 (CAE) 软件包，如 Simcenter SPEED、Simcenter Motorsolve 和 Simcenter MAGNET。我们负责计算机辅助设计 (CAD) 的同事为我们生成了仅包含 EMAG 有源部件的简化几何体。如果我们遇到 CAD 问题，例如从装配中提取几何体或网格划分错误，我们会自动将设计推回给 CAD 设计师，然后开始计时等待。

我们可以这样继续下去吗？

随着电气化竞争加剧，不同团队之间需要展开更多的合作。产品设计师可以为我们打造产品的“外观和触感”，即皮肤。CAD 设计师分配不动产。然后，CAE 工程师在约束范围内添加优化产品所需的物理条件。

花些时间在团队之间的沟通和协调上被视为整个流程中密不可分的一部分，“大企业的运作方式就是这样”，这已成为一种共识。如果电磁元件是产品的附件，次优流程可能无伤大雅。然而，如今，电力驱动是许多产品的核心，而将时间浪费在与其他部门进行迭代可能会使您的开发周期加倍，研发成本飙升。此外，激烈的竞争和匮乏的工程资源则使继续将时间浪费在毫无意义的迭代上变得不可持续。

对于影响 EMAG 体的上游 CAD 变更，情况又如何呢？

从事电动动力总成工作的 EMAG 工程师经常会收到详细的 CAD 中性文件。虽然由壳体和变速器总成组成，但是这些文件却通常互不关联（我们将在后面讨论互不关联的含义）。这些文件会缺失转子、定子铁芯，甚至同时缺失两者，并且对于 CAE 而言，它们更直观，但缺乏功能性。这就引发了 EMAG 与 CAD 团队之间的来回争论，他们现在需要清理和简化几何体并验证材料。只有在完成这个清理过程之后，电磁学工程师才能开始其真正的工作，寻找概念并验证拟议的设计。

由于当前飙升的利率和更高的成本，自 2018 年以来，EV（电动汽车）领域的项目经理压力倍增，如果不加以控制，按时完成车辆交付的成本将变得更高。因此，您可能会听到公司要求您的团队减轻部件的重量和体积。作为 EMAG 工程师，您会发现自己要绞尽脑汁催促 CAD 设计师缩短时间。不用担心，您并不是一个人。CAD 设计师必须要反映出新的 CAD 更新，帮助 CAE 团队更新其几何体。不难想象，要促成这一切，就需要大量的电子邮件、电话和会议，而这对上市时间计划的影响巨大。

我们如何才能节省时间？

无需过多设计师方面的输入即可让电磁工程师能够将其模型自动更新为全新 CAD 设计的系统将会提高生产力。在本短片中，您可以看到一个可行的流程的示例。本短片展示了在上游发生定子外径变化的情况下，如何更新从车辆装配中提取的 2D 电机几何体。

本短片先将重点放在电动动力总成上，然后再逐渐将电机与装配的其余部分隔离开。接下来，我们不仅要抓取电磁活性体，还要将它们与装配相关联。然后，我们再添加仿真所需的一切：空气和重新划分网格的区域、转子 2D 几何体以及有限元网格，以实现完整性。最后，我们触发定子外径的上游更改，您可以在网格的更新中查看更改。Simcenter 环境的 CAD 连接让您能够专注于您的电磁分析工作。

从车辆装配中提取和关联 2D 电机几何体

现在让我们将关注点转向电动动力总成轻量化和集成的全球发展趋势。需要控制噪声水平并使~~尺寸日趋紧凑的电机~~实现散热。这些需要更复杂的液体冷却，以及防止磁钢飞出的设计，这一切都会改变电磁的结构。

如何借助以多物理场驱动的几何变化来更新电磁模型？

在传统工作流程中，在其他团队进行非关联模型更新后，往往需要 EMAG 工程师重复与设计团队之间的繁琐工作流程，并处理与其相关的所有电子邮件和电话。如果没有建立任何关联，您会感到工作寸步难行！此外，随着所考虑的物理领域数量不断增加，问题只会变得更糟。

在工程师确定设计之前，电动动力总成会经历一系列多物理场仿真迭代。这些横向变化与电磁学、热力学、结构以及噪声和振动 (NVH) 分析相辅相成。由于每个部门的工程师同时使用的工具互不关联，因此很有可能某个工程师所使用的模型并非当前理想设计，而是早已过时。

您如何跟踪更新的 CAE 几何体？

幸运的是，有可供参考的参照物，尽管这在孤立的环境中作用有限。只有设计 CAD 能够建立物理特性与产品需求（例如成本）之间的关联，与体积和质量挂钩。如图 2 所示，如果设计 CAD 不断进行无缝更新，则意味着所有 CAD 和所有 CAE 工程师正在某一时刻同时访问同一几何体。显然，更新和访问均在托管环境中进行控制。这可确保您不会在项目会议上中使用过时的结果。从电磁学的角度来看，几何体可反映近期批准的上游和横向更改。

例如，如图 3 所示，EMAG 定子部件从仅基于电磁性能的高效设计演变为容纳线圈上冷却通道的设计。我们可以看到，因当前体积受限，扭矩有所减小。这是因为第一种设计的钢含量更高，因此磁通量更多。

正如我们在视频中看到的，我们可以将电磁的有源部件与 CAD 设计相关联。在通过参数化研究选择了最终通道宽度后，这种几何变化被引入 CAD 设计中。由于电磁仿真所使用的几何体具有关联性，因此只需对更改重新运行求解即可

这到底意味着什么呢？

在多物理场设计流程（如电机设计流程）中，拥有简化的工作流程可以节省数百个工程小时。您只需进行一次初始设置即可！其余工作就是对由产品需求和物理场变化驱动的设计进行迭代。

相互关联的工作流程帮助我们克服了开发过程中方法孤立和偏好单一物理场的问题。高效的电磁设备可能会结构不健全，甚至无法制造。通过几何约束和物理场交互捕捉可行方案，我们得到了更逼真的设计。与此同时，它还帮助我们管理自己内部的物理场偏好，让我们能够协同合作，使性能达到良好平衡。我们认为适合我们物理条件的因素不一定对整体产品性能有益。集成式设计流程让我们能够进行这些迭代并实现更快的收敛！

综上所述，本博客中讨论的相互关联的流程减少了时间浪费，因此可以更快地开发产品。此流程通过确保每个人都使用最新的模型，可帮助工程师和设计师更快地确定概念。同时确保不会出现诸如偏好特定物理模型或孤立团队等缺点。更快、更好地打造新一代电动机，同时缩减工程时间，由此削减成本。