先进永磁电机智能设计工业软件：关键技术及应用
汇报人：王亚玮 华中科技大学电气与电子工程学院 研究背景及意义 01 汇报提纲 软件功能及创新点 02 应用案例及创新成果 03 研究背景及意义 01 研究背景：国家战略需求 “加强原创性、引领性科技攻关，坚决打赢关键核心技术攻坚战要从国家急迫需要和长远需求出发，在工业软件等方面关键核心技术上全力攻坚。中国科学院第二十次院十大会2021年5月28日 专栏5工业软件突破提升行动：研制面向细分行业的集成化工业软件平台，开发计算机辅助设计、计算机辅助工程等。2021年12月21日《“十四五”智能制造发展规划》 支持通用基础软件、工业软件、平台软件、应用软件工程化开发，实现工业质量分析与控制软件关键技术突破。一2023年2月6日《质量强国建设纲要 围绕关系经济命脉和国计民生的行业领域，推动基础软件、工业软件和工业操作系统更新换代。——2024年5月23日《工业重点行业领域设备更新和技术改造指南》 应用计算机辅助设计和仿真分析（CAD&CAE）系统实现设计工具对标准件和通用件的高效调用。一一2025年8月1日《机械工业数字化转型实施方案》 工业软件作为新型工业化、新质生产力的核心要素，其国产化是建设制造强国的必然选择 先进永磁电机智能设计工业软件关键技术及应用 研究背景：产业前沿阵地 高档数控机床和机器人航空航天装备海洋工程装备及高技木船舶先进轨道交通装备节能与新能源汽车电力装备农机装备生物医药及高性能医疗器械新一代信息技术新材料*数据来源：观研报告网《中国永磁同步电机行业发展现状分析与投资前景研究报告(2024-2031年）》 永磁电机真有高效率、高功率密度等优势，是众多关键领的基础共性和核心装备 研究背景：产业痛点问题 数据来源：《节能与新能源汽车技术跆线围2.0》、《新能源飞行器发展白皮书（2024)》 工欲善其事，！必先利其器，永磁电机设计工业软件突破势在必行 先进永磁电机智能设计工业软件关键技术及应用 建模-仿真-优化-多场全链条技术挑战： 复杂工况仿真耗时长 参数模型设计上限低 多参数优化效果差 多场耦合计算效率低 传统单极对称极间全等结构 经典数值法多场耦合计算 传统瞬态场仿真 传统全局优化 传统电机拓扑 X数值法求解计算周期长，多场自由度激增，对计算机内存和算力要求极高X分场选代求解难以实现多场之间双向反馈 X软件自带参数模型自由度不足X人工参数化建模时间成本极高X外部导入模型无法参数化调整 X高维参数空间、多目标协同下优化算法收敛能力不足X优化耗时长，且容易陷入局部最优解 X求解瞬态场麦克斯韦偏微分方程，计算量庞大且耗时长X模块封装成“黑盒”，需完成一个或多个电周期仿真 驱需打破永磁电机工业软件壁垒，在建模-仿真-优化-多场耦合等方面实现全面突破 软件功能及创新点 02 全流程、一站式永磁电机智能设计工业软件 软件功能展示 基于开源生态的电机高维建模、仿真、优化及可视化界面全工具链开发 基础功能：参数化建模 基于几何约束关系，实现电机快速、高自由度参数化建模 基础功能：定制化绕组分析 基于交流绕组理论，快速绘制绕组连接图，一键计算各次谐波绕组系数 基础功能：材料、边界条件、网格部分 气隙边界条件（模拟旋转） 内置材料库及自定义 剖分设置及显示 实现材料选及自定义、自动添加边界条件、分设置等功能 基础功能：电磁性能计算及后处理 电磁性能计算 基于电机电磁理论，实现电磁性能计算、工况云图、外特性曲线和效率Map图绘制 创新点一：异构化建模突破性能上限 镜像非对称转子：镜像对称的两个非对称转子轴向誉压，实现谐波反相相消，显著降低转矩脉动及振动噪声 低噪低脉动方案优化设计： 电磁性能以效率、转矩为目标 2.NVH性能以36倍频阶次电磁力为目标 突破传统结构定式，增加设计自由度，提升电机性能上限 创新点一：异构化建模突破性能上限 多段磁动势编辑：调整各段磁钢弧度及充磁方向，实现磁动势各次谐波幅值编辑，提升效率并抑制噪声 2段编辑主谐波磁动势幅值提升8.25%，关键阶次径向力谐波抑制41.59%：3段编辑主谐波磁动势幅值提升17.82%关键阶次径向力谐波抑制2.72%； ◆2段编辑效率提升8.4%，噪声抑制11.90%?3段编辑效率提升8.5%，噪声抑制8.97% 创新点一：异构化建模突破性能上限 输出转矩提升14.31%，焦耳损耗降低16.34% 焦耳损耗降低14.62%，转矩脉动降低8.20% 创新点二：日时谐场加快有限元求解 突破瞬态场求解框架，保证精度的同时大幅提升计算速度 创新点三：分层优化提高收敛能力 通过Morris矩阵选取测试点，构建组合代理模型，用有限差分求取灵敏度，以此为判据完成参数目标分层 突破局部最优陷阱，兼顾多维目标，增强优化收敛能力，极大缩短方案周期 超解析算法实现多场耦合创新点四： 突破数值法送代瓶颈通过热网络和应力解析的协同机制，实现多场耦合效率的根本提升 应用案例及创新成果 03 应用案例一：低噪高效工业电机 采用镜像非对称转子拓扑结构，全频段噪声降低336%，高频噪声降低9.20% 应用案例二：新能源汽车驱区动电机 所研制的永磁电机设计软件实现了驱动电机性能的快速求解和考虑路谱综合效率的多自标优化 创新成果 汇报完毕，愿请批评指正！ 先进永磁电机智能设计工业软件关键技术及应用 王亚玮 邮箱：yaweiwang@hust.edu.cn