电机电磁场 CAE 有限元分析探讨

    一、计算机辅助工程（CAE  

）

    计算机辅助工程是随着 CAD/CAM 技术的发展而出现的一种新技术，它的含义和功能
范 围 还 没 有 统 一 的 提 法 ， 有 些 专 家 将 CAE 看 成 是 包 含 工 程 分 析 在 内 的 广 义 的
CAD/CAM，同时由于 CAE 在机械工程中的应用最广泛（如铁路货车产品结构有限元分
析系统），因而把广义的 CAE 称做 MCAE。但是，很多数学者目前还是把 CAE 看成是以
计算力学为基础，以计算机仿真（模拟）为手段的工程分析技术，并相应地把它归入广
义的 CAD 功能中，作为实现产品优化设计的主要支持模块。按照后一看法，CAE 技术包
括有限元 FEM 和边界元 BEM 分析、运动机构分析、气动或流场分析、电路设计和磁场分析
等。其中有限元分析在机械 CAD 中应用最广泛。这种方法，首先在几何上把分析对象划分
成有限个单元，由互相交叉的网格节点形成有限个元素，然后通过计算每个单元或节点
的特性，分析整体的特性。有限元分析法是近 20 年来发展起来的技术，随着应用规模和
范围的不断扩大，其理论和技术日益完善，它最突出的优点是通用性强，可用于工程结
构力学、热传导、液压、气动力学等的分析中，适用于包括电子、航空、航天在内的各种机械
工程领域。同时，对于各类工程分析问题，有相当一部分相似的处理过程，因而非常适用

 

于标准化。

    二、电机 CAE

 

的发展

    20 世纪 70 年代以来，随着科学技术的迅猛发展与社会需求日趋多样化，市场变化频繁，
竞争激烈。表现在电机产品方面，产品更新换代的周期越来越短，产品的性能、质量、价格
以及交货期的竞争越来越激烈。对大数电机厂来说，一个明显的特点是多品种、小批量生
产占主导地位。在进行多品种、小批量生产时，由于产品的品种和工艺过程的多样性，环
境条件（如用户订货、外购、外协、交货期等）的不确定性，以及生产计划与生产调度的动
态性等因素，致使物料过程复杂多变，信息流的数据和信息庞杂，信息的处理、贮存与传
输频繁。因此，按常规的单件生产或按刚性自动化的方式都无法适应，必须解决物流既具

“

”

高效自动化，又具生产 柔性 即柔性自动化的问题；同时，也必须相应地解决信息流
（包括产品设计、工艺设计以及生产管理）的自动化问题。所谓柔性（flexibility）是指，

 

当生产对象改变时，具有灵活的适应性。

    

 

在电机工程中的应用主要有以下几个方面：

    1

 

、计算机辅助电机设计：这是利用计算机帮助人们设计出最佳的电机；

    2

 

、计算机辅助电机工程图的绘制；

    3

 

、计算机辅助电机电磁场、温度场和应力场的计算。

    过去，电机中场的求解只限于应用解析法和图解法。这些方法的应用，一般限制在边界
条件简单而媒质为线性的场合。计算机和计算技术的发展为电机中复杂的场问题数值解提
供了条件，从而可以将现代数值解中的差分法、有限元法和边界元法等方法，在利用计算
机技术的基础上去求解电机中的各种线性和非线性的稳定场或瞬变场的问题，并获得较

 

满意的结果。