[发明专利]一种针对伺服电机设计的多学科联合仿真方法

说明书

一种针对伺服电机设计的多学科联合仿真方法如下：(1)根据指标要求、使用工况和安装条件，给出伺服电机电磁学仿真、静力学仿真和热仿真分析所需参数；(2)利用几何构型软件，完成基于参数化模型的伺服电机壳体、定子、转子和转子轴的尺寸更新；(3)通过对电磁学仿真软件、热仿真软件和静力学仿真软件脚本的录制功能，以脚本中关键字和所属行列号的识别依据，实现仿真参数的自动替换，进而完成电磁学、热和静力学仿真自动化，从而获得电机在额定转速下的力矩、反电动势，壳体和转子轴的应力应变云图，伺服电机的温度分布云图。本发明整合了伺服电机设计的多学科仿真流程，提取了仿真分析所需参数，实现了伺服电机全数字化性能预估的自动化，有效减少了伺服电机设计过程中的重复性工作，工程实用性强。

技术领域

本发明属于伺服电机仿真技术领域，是一种基于多学科联合仿真技术的伺服电机全数字性能快速预估方法。

背景技术

目前国内外对伺服电机的多学科联合仿真研究具备了一定的基础，在ANSYS公司收购了Ansoft公司之后，国内外基于ANSYS软件的Workbench平台，利用电磁仿真模块Maxwell和机械仿真模块Mechanics基本实现了伺服电机电磁、热和静力学的联合仿真。但是该方法有明显的不足：一方面，利用ANSYS/Maxwell模块建立的伺服电机模型，其只为解决伺服电机的电磁仿真问题，生成的三维模型只有定子和转子的三维几何模型；而为了获得精确的热分析结果，电机的热仿真分析需要对伺服电机整机进行散热情况分析，即除了定子和转子的几何模型外，还需要电机壳体、转子轴、轴承、铜线绕组等部件的几何模型；另一方面，在考察伺服电机受力变形情况和使用寿命预测时，电机的定子和转子都是非承力部件，在进行静力学分析时为了避免非承力部件占用大量的计算资源，往往需要对其进行简化处理，无法直接利用Maxwell生成的定、转子几何模型，尤其是定子中的槽体部分在划分网格进行有限元仿真分析时，很容易造成奇异或发散，致使仿真失败。

发明内容

本发明解决的技术问题为：本发明针对伺服电机性能验证涉及的电磁、热和静力学仿真所需模型不同和所需模型精细度不同的情况，提出了一种针对伺服电机设计的多学科联合仿真方法。为解决伺服电机设计中不同学科仿真分析需求不同的问题，实现伺服电机多种性能指标的全数字虚拟实验性能快速预测。

本发明解决的技术方案为：一种针对伺服电机设计的多学科联合仿真方法，步骤如下：

(1)根据伺服电机的力矩与速度包络曲线和安装空间尺寸，确定伺服电机定子和转子的电磁学仿真分析参数；

(2)根据伺服电机存运和工作过程中的受力情况和步骤(1)确定的伺服电机定子和转子的电磁学仿真分析参数，确定伺服电机静力学仿真分析参数；

(3)根据伺服电机定子、转子、壳体、转子轴部件材料的属性表，确定伺服电机的热特性仿真参数；

(4)根据步骤(1)伺服电机定子和转子的电磁学仿真分析参数，进行伺服电机电磁学有限元仿真，获得伺服电机在额定转速下的力矩、反电动势；

(5)判断步骤(4)获得的力矩、反电动势是否均满足步骤(1)力矩与速度包络曲线的要求，如果满足则进行步骤(6)，否则返回步骤(1)重新设定电机的定子、转子的电磁学仿真参数；

(6)根据步骤(1)的伺服电机定子和转子的电磁学仿真分析参数和步骤(2)的伺服电机壳体和转子轴的静力学仿真分析参数，建立伺服电机的几何构型；

(7)根据步骤(2)确定的伺服电机壳体和转子轴的静力学仿真分析参数和步骤(6)建立伺服电机的几何构型，对伺服电机壳体和转子轴进行静力学有限元仿真，获得伺服电机的静力学承力特性，包括壳体和转子轴在受最大承载力的拉压情况下的应力应变云图；

(8)判断步骤(7)获得的壳体或转子轴应力应变云图是否超出了要求的极限受力情况，如果超出，则返回步骤(2)重新设定壳体或转子轴的静力学仿真参数，如果未超出，则进行步骤(11)；