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Design und Simulation von Elektromotoren
Für SOLIDWORKS-Benutzer
Über MotorWizard
MotorWizard ist eine vorlagenbasierte Motor-Design-Software, die vollständig in SOLIDWORKS integriert ist. Es ermöglicht SOLIDWORKS-Benutzern, verschiedene elektrische Maschinenkonstruktionen zu erstellen und zu analysieren.
Es macht das Studium der elektrischen Maschinen flexibel und einfach, indem es Zugang zu einer Vielzahl von anpassbaren Abmessungen und Parametern bietet, die das Design der elektrischen Maschinen vollständig definieren. Ausgestattet mit integrierten analytischen und Finite-Elemente-basierten Lösern wird der Prozess des Designs von Elektromotoren mühelos, genau und schnell.
Hauptmerkmale und -fähigkeiten
Easy Topology Editor: Anpassbare Vorlagen für die einfache und schnelle Entwicklung der verschiedenen Modelle elektrischer Maschinen, ohne dass in SOLIDWORKS ein Modell von Grund auf neu erstellt werden muss.
Automatischer Wicklungseditor: Möglichkeit zum automatischen Erstellen verschiedener Wicklungskonfigurationen, z. B. ein- oder zweischichtig, konzentriert oder verteilt, mit voller Steigung oder kurzgeschlossener Steigung.
Benutzerfreundliche und intuitive Benutzeroberfläche: Kurze Lernkurve und einfach zu bedienendes Programm, enthält vordefinierte Einstellungen und Ergebnisse, wodurch das Definieren von Szenarien, die Verfeinerung des Netzes und die Randbedingungen vermieden werden.
Vielfalt der Ergebnisse: Bietet sowohl analytische als auch Finite-Elemente-Ergebnisse, um den Analyseprozess zu beschleunigen und genaue Ergebnisse für die Maschinenleistung bereitzustellen.
Große anpassbare Materialbibliothek: Die Materialbibliothek enthält eine breite Palette an Materialien wie Permanentmagnete, Stahlkaschierungen, Leiter und Isolatoren.
Three types of analysis are used in MotorWizard.
Analytical Analysis
This analysis is based on the well-known analytical models of the machine developed in the recent up-to-date scientific literature. The models utilize detailed geometry of the machine plus winding structure to estimate machine parameters such as back EMF constant, stator phase resistance and different inductance. Using materials properties, the core loss is also estimated by this model.
The estimated parameters are used to predict the steady-state performance of the machine such as
-
Torque-Speed curve,
-
Input and Output Powers vs Speed
-
Efficiency Map
This type of analysis helps user to get a general understanding of steady-state machine performance in a very short time to see if the designed machine meets the design requirements such as torque, power and efficiency.
Semi Analytical Analysis
This is a combination of analytical and finite element analysis. In this case, finite element analysis is used to estimate airgap flux density and inductance of the phases. These results along with analytically calculated stator resistance is used to estimate back EMF constant and consequently predict steady state performance of the machine similarly to analytical analysis.
Finite Element Analysis
Finite element analysis is a numerical method to analyze the performance of electrical machine. It has ability to include detailed geometry of rotor and stator, winding distribution, slotting effect and electromagnetic properties of material in the analysis. Therefore, it provides the most accurate type of results. In MotorWizard, the Magnetostatic finite element analysis is used to provide the different results at different operating condition of the machine. Results at no-load and loaded conditions are the most desirable ones, however, the results are not limited to them and some performance characteristics analysis is also available. Unlike analytical and semi-analytical analysis which are mostly based on steady-state results and average (or RMS) values of parameters, direct effects of different features of machine such as geometry, complexity and electromagnetic properties of material can be observed on finite element results such as back EMF waveform and torque ripple profiles.
Some interesting results using finite element analysis which are available in MotorWizard are:
-
Winding Flux Linkage Waveform
-
Back EMF Waveforms
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Cogging Torque
-
Inductance Profile
-
Torque and Torque Ripple
-
Magnetic Flux Density Distribution
The proper scenarios are defined and implemented in MotorWizard to simplify the process of analysis for achieving these results. Generating meshes and applying boundary conditions are optimized and conducted automatically to obtain the most accurate results in a short time.
Einfacher Topologie-Designer
MotorWizard ist ein fortschrittliches CAD-Tool, das ein flexibles Parametrisierungsfenster bietet, mit dem Sie auf eine Vielzahl von Skizzen und Funktionen von Vorlagen zugreifen können. Auf diese Weise wird die 2D-SOLIDWORKS-Baugruppe in eine vollständig definierte elektrische Maschine umgewandelt.
Durch Anpassen der Standardvorlagen können verschiedene Motorkonstruktionen generiert werden. Permanentmagnete Brushless DC wird mit vielen Arten und Formen von Rotor- und Statorteilen unterstützt.
Der Topologie-Editor verwandelt das komplexe Maschinendesign in einen einfachen und schnellen Prozess mit der Autokorrekturfunktion, die basierend auf der ausgewählten Konfiguration angemessene Abmessungen berechnet.
Schneller Leistungsprädiktor
Die anfängliche Leistungsvorhersage ist ein entscheidender Schritt bei Motorkonstruktionstests. Basierend auf weise definierten Ansätzen können daher sofortige Berechnungen der Konstruktionsmerkmale mit wenigen Klicks verarbeitet werden. Durch Eingabe der Eingangsdaten können mehrere stationäre Ergebnisse angezeigt und analysiert werden, z. B.: Drehmomentwellenform, Luftspaltflussdichte, Gegen-EMK, Wicklungsflussverknüpfung, Phaseninduktivität, Koenergie, Kernverluste usw.
Das Verhalten elektromagnetischer Maschinen kann auch durch die Finite-Elemente-basierte Analyse (FEA) genau vorhergesagt werden, bei der unterschiedliche testorientierte Ergebnisse erzielt werden können.
In MotorWizard kann die FEA-Simulation für verschiedene Maschinenbetriebsbedingungen wie Leerlauf und Volllast durchgeführt werden.
Benutzerfreundliche Oberfläche
MotorWizard bietet eine benutzerfreundliche Oberfläche, die die Verwaltung der erstellten Designs intuitiv und zeitsparend macht. Schritt für Schritt bietet ein heuristischer Workflow eine kurze Zeitspanne, in der alle verfügbaren Tools und ihre Funktionen beherrscht werden.
In kurzer Zeit können mehrere Analysen durchgeführt werden, und eine Wiederherstellung früherer Entwurfsspezifikationen ist immer zulässig, wodurch die Optimierung des Entwurfs schneller und effizienter wird.
MotorWizard-Ergebnisse
Nachdem Sie die wichtigsten Wicklungs- und Stromversorgungseigenschaften definiert haben, können Sie leicht eine Vielzahl von Leistungsmerkmalen der Maschine erhalten, darunter:
Drehmoment - Geschwindigkeitskurve
Induktivitätsprofil
Drehmoment - Winkelprofil
Wellenform der Wicklungsflussverknüpfung
Aktuelle Wellenform
Co-Energie
Luftspalt-Flussdichte
Die FEA-Ergebnisse umfassen:
Wicklungsflussverbindung pro Phase
Gegen-EMK pro Phase
Rastmoment
Induktivität pro Phase
Statisches Drehmoment
Magnetfeldverteilung
Magnetische Flussdichteverteilung
MotorWizard is a template-based motor design software which is completely integrated inside SOLIDWORKS. It allows SOLIDWORKS users to build and analyze different electric machine designs.
It makes the study of the electric machines flexible and easy by giving access to a wide range of customizable dimensions and parameters that fully define the design of the electric machines. Equipped with integrated analytical and finite element-based solvers, the process of electric motor design becomes readily effortless, accurate and quick.
• The performance and speed of simulation have been improved.
• DQ inductance calculation has been added to the results section.
• Two templates of permanent magnet motor with inset magnets have been
added.
• The automatic winding section has been improved to include more
configurations of the double-layer winding.
• The manual winding option has been improved.
• Efficiency map calculation based on Maximum Torque Per Ampere (MPTA) has
been improved.
Currently, only radial permanent magnet motors are supported by MotorWizard.
The following permanent magnet motor templates are available in MotorWizard:
• Surface Mounted Permanent Magnet Motor.
• Surface Mounted Permanent Magnet Motor with segmented magnet.
• Bread Loaf Permanent Magnet Motor.
• Inset Permanent Magnet Motor.
• Buried-Type Permanent Magnet Motor.
• Spoke-Type Permanent Magnet Motor.
• Outrunner and Inrunner Rotor Configurations.
MotorWizard uses the maximum torque per ampere (MTPA) approach to estimate the performance of the machine at different speeds.
MotorWizard provides two types of analyses. Most results are based on pure finite element analysis. However, MotorWizard utilizes semi-analytical analysis to provide performance analysis results such as efficiency map and torque speed curve. The semi-analytical method uses both FEA and analytical methods. The analytical method uses the famous dq model of the machine.
MotorWizard provides the analysis of machines with square-wave signal excitation which corresponds to brushless DC motor (BLDC) operation and sine wave excitation which corresponds to permanent magnet synchronous motor (PMSM) operation.
The following results are available in performance analysis section:
• Torque vs Speed,
• Input and output powers vs Speed,
• DQ Voltage vs Speed,
• DQ Current vs Speed,
• Core Losses vs Speed,
• Copper Losses vs Speed,
• Efficiency Map, etc.
MotorWizard offers an option to automatically create different winding configurations such as single- or double-layer, concentrated or distributed, full pitched or shorted pitch easily.
We believe that MotorWizard automatic winding section offers many diverse winding configurations which you may benefit from. If more is required, then you can apply your desired winding configuration using the manual winding table provided by MotorWizard. However, you make sure that your desired winding has a balanced configuration.
Yes.
Bejamin Ramseyer - Student
South Dakota School of Mines and TechnologyEMWorks has been tremendously helpful in my journey to design my brushless motor prototype. MotorWizard was the main tool that I used in the design process. It felt intuitive and relatively easy to navigate. The integration inside SOLIDWORKS is seamless! Once the stator is designed, it is very easy to create a 3D model. Overall, I am very pleased and thankful for all the support that I received from EMWorks team. The motor has been tested and the results are accurate. It works just as expected.
I would strongly recommend MotorWizard solution to my colleagues and professors!