CN106682321A - 一种电机集成设计仿真系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机集成设计仿真系统及其方法，该系统由数据层、服务层、业务层和交互层组成，其中的业务层又包括电机模板选择模块、结构参数计算模块、三维结构显示模块、电磁分析模块、热分析模块和系统仿真分析模块。该方法的步骤包括电机类型选择、性能指标输入、结构参数计算、三维模型显示、电磁分析、热分析和系统仿真分析。本发明通过向导式界面，实现对电机结构的可视化快速计算，并在此基础上对电机性能进行仿真验证和性能分析，形成“设计‑验证‑分析”一体化工具平台，以提高设计效率，降低研发成本，规范设计流程，积累设计经验。

Description

一种电机集成设计仿真系统及其方法

技术领域

本发明属于航天器电控系统设计领域，具体涉及一种电机集成设计仿真系统及其方法。

背景技术

力矩补偿轮是典型的飞行器姿态稳定系统，其原理是通过改变飞轮的动量矩矢量，吸收航天器其余部分多余的动量矩矢量，从而达到航天器姿态控制的目的。从20世纪70年代以来，该系统已广泛应用于多个型号的航天器中，随着航天技术的迅猛发展，航天使命的日益复杂多样化，航天器对姿态稳定系统的要求也越来越高，因此对于力矩补偿轮的性能指标要求也不断提高，例如更大的输出力矩、更小的体积和重量、更高的精度以及更长的使用寿命等。

现有的设计方法可以满足一般性的设计要求，但依然存在一系列的挑战，例如：设计效率较低、关键技术难以得到积累、缺乏系统级动态分析、设计迭代周期长和成本高、仿真与设计分析、仿真模型的利用率不高等。往往花费很大精力建立的仿真分析模型，在其他的型号中却无法使用，或者更换一个设计师后无法使用，从而造成了设计资源的浪费。因此需要通过模型模板的方式对设计资源进行固化，将关键参数进行统一提取，强化模型的内涵，弱化软件的差异。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种电机集成设计仿真系统及其方法，通过向导式界面，实现对电机结构的可视化快速计算，并在此基础上对电机性能进行仿真验证和性能分析，形成“设计-验证-分析”一体化工具平台，以提高设计效率，降低研发成本，规范设计流程，积累设计经验。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种电机集成设计仿真系统，所述仿真系统的总体框架由下到上依次分为数据层、服务层、业务层和交互层；四层的平台架构，可以达到将逻辑与数据分离、显示与逻辑分离的良好扩展性的效果；

所述数据层是所述仿真系统的知识库，负责提供模板库、算法库、材料库和数据库等；

所述服务层负责为所述仿真系统提供功能支持，所述服务层包括一系列功能模块和外部接口；其中，

所述功能模块主要包括设计流程数据管理模块、电机设计模板管理模块、三维结构显示模板管理模块、结构参数计算算法管理模块、电磁分析算法管理模块、热分析算法管理模块、系统仿真分析模型管理模块、材料库管理模块、数据库管理模块、结果分析及处理模块等；

所述外部接口主要包括pro/E接口、Ansoft接口、Ansys接口和二次开发接口等；

所述业务层负责通过对所述服务层中所述功能模块的调用，通过向导式方式，实现对电机的结构参数计算及电机本体性能的仿真分析；所述业务层按照其工作流程主要包括电机模板选择模块、结构参数计算模块、三维结构显示模块、电磁分析模块、热分析模块和系统仿真分析模块等；其中，

所述电机模板选择模块负责电机模板类型的选择；

所述结构参数计算模块可根据所述指标输入模块提供的输入指标，计算出电机的结构参数，比如定子几个参数的计算，包括定子外径、定子内径等；

所述三维结构显示模块可根据所述结构参数计算模块的计算结果对电机模型进行显示和参数驱动；所述三维结构显示模块亦可显示和加载Creo模型的电机三维结构图，通过外部修改三维结构，能自动更新三维结构图；

所述电磁分析模块负责建立电机设计模型，并通过软件的功能实现电机性能的仿真计算要求；

所述热分析模块可利用所述电磁分析模块所建立的模型，通过软件功能实现电机温度场的仿真计算要求；

所述系统仿真分析模块负责建立系统级仿真模型，即包括电机、控制器、驱动、传动系统、负载在内的物理模型，并通过系统级仿真，以验证包括机械、电气、电力电子和控制在内的多个领域耦合对系统的影响；

所述结果分析及处理模块负责显示性能曲线并对性能曲线上的数据进行单点提取；电机参数计算后的结果可通过多种方式进行显示，如曲线、数值、报表等，根据显示值，可方便人工进行分析结果是否合理；

所述交互层负责提供软件与用户的人机交互界面及数据的显示；所述交互层主要包括设计流程视图、电机模板选择界面、指标输入界面、电机结构参数计算界面、电磁分析界面、热分析界面、系统仿真分析界面、材料库界面、报表视图、表格视图、场显示视图等。

一种电机集成设计仿真方法，包括如下步骤：

步骤1所述仿真系统利用所述电机模板选择模块对电机模板类型进行选择，在选择需要的电机模板后，所选电机模板的所有结构参数和三维模型构型将一同传至所述仿真系统中；同时，所述仿真系统关键性能指标参数传至所述结构参数计算模块；

步骤2、所述仿真系统在所选电机模板中写入设计要素及经验参数值，所述结构参数计算模块根据接收的关键性能指标参数和输入的设计要素及经验参数值，计算出电机的结构参数；结构参数计算结束后，所述仿真系统将所述结构参数计算模块计算出的所有结构参数传至所述三维结构显示模块，同时所述仿真系统将包括电阻和电感在内的电机本体参数传至所述系统仿真分析模块；

步骤3、所述三维模型显示模块对从所述结构参数计算模块传来的参数进行修改并计算；同时，所述仿真系统将三维电机模型传至所述三维结构显示模块；所述仿真系统将所述三维结构显示模块计算出的计算结果分别传至所述电磁分析模块和所述热分析模块；

步骤4、所述仿真系统在所选电机模板中写入包括负载、激励参数、运动条件、仿真时间和步长在内的参数，所述电磁分析模块根据输入的负载、激励参数、运动条件、仿真时间和步长进行电磁分析，并生成相应的电磁分析曲线和云图；

步骤5、所述仿真系统在所选电机模板中写入包括材料热参数、热源参数、仿真时间和步长在内的参数，所述热分析模块根据输入的材料热参数、热源参数、仿真时间和步长进行热分析，并生成相应的热分析曲线和云图；

步骤6、所述系统仿真分析模块根据从所述结构参数计算模块传来的电机本体参数进行系统仿真分析计算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、用工具代替手工推导，建立专用人机交互界面；

（1）本发明针对结构参数计算开发了专用的计算工具，代替手工推导，提高设计效率；

（2）本发明通过结合产品特点、设计流程与工程师使用习惯，定制了专用界面，通过软件的易用性，切实提高产品的设计效率。

2、仿真结果直接应用于设计；

本发明通过三维参数化技术实现与Pro/E模型的直接关联，设计结果可以直接更新到Pro/E图纸中，从而实现仿真分析结果直接应用与设计中。

3、增加系统多领域仿真分析；

本发明基于多领域统一建模仿真语言，充分考虑控制系统、驱动系统、电机本体和负载本身的特性，建立电机系统级仿真模型。

4、固化设计流程，以参数化驱动的方式实现数据自动传递；

本发明以设计向导的方式将电机设计流程进行固化，电机设计流程中的各个环节对应到软件系统的方案模板。用户通过类型选择和参数设置，即可完成初步方案设计，与此同时将自动形成与方案相匹配的设计模板，实现电机结构参数计算、电磁、热分析、系统仿真分析的一体化计算。当需要重新计算参数或手工调整参数时，相应的模板都会自动进行更新。信息传递过程不需要人工介入，提高设计效率同时降低了出错概率。

5、形成设计仿真分析一体化平台，实现快速方案迭代；

本发明通过定制专用界面、定制设计资源库以及底层的参数化驱动技术，将电机设计的全流程跨专业的不同环节串联在一起，形成设计仿真分析一体化平台，借助计算机的运算优势，实现快速方案迭代，为产品设计的快速响应和节约成本奠定基础。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明仿真系统的结构框图；

图2为本发明仿真方法的步骤流程及数据传递示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参见图1所示，一种电机集成设计仿真系统，所述仿真系统的总体框架由下到上依次分为数据层、服务层、业务层和交互层；四层的平台架构，可以达到将逻辑与数据分离、显示与逻辑分离的良好扩展性的效果；

所述数据层是所述仿真系统的知识库，负责提供模板库、算法库、材料库和数据库等；

所述服务层负责为所述仿真系统提供功能支持，所述服务层包括一系列功能模块和外部接口；其中，

所述功能模块主要包括设计流程数据管理模块、电机设计模板管理模块、三维结构显示模板管理模块、结构参数计算算法管理模块、电磁分析算法管理模块、热分析算法管理模块、系统仿真分析模型管理模块、材料库管理模块、数据库管理模块、结果分析及处理模块等；

所述外部接口主要包括pro/E接口、Ansoft接口、Ansys接口和二次开发接口等；

所述业务层负责通过对所述服务层中所述功能模块的调用，通过向导式方式，实现对电机的结构参数计算及电机本体性能的仿真分析；所述业务层按照其工作流程主要包括电机模板选择模块、结构参数计算模块、三维结构显示模块、电磁分析模块、热分析模块和系统仿真分析模块等；其中，

所述电机模板选择模块负责电机模板类型的选择；

所述结构参数计算模块可根据所述指标输入模块提供的输入指标，计算出电机的结构参数，比如定子几个参数的计算，包括定子外径、定子内径等；

所述三维结构显示模块可根据所述结构参数计算模块的计算结果对电机模型进行显示和参数驱动；所述三维结构显示模块亦可显示和加载Creo模型的电机三维结构图，通过外部修改三维结构，能自动更新三维结构图；

所述电磁分析模块负责建立电机设计模型，并通过软件的功能实现电机性能的仿真计算要求；

所述热分析模块可利用所述电磁分析模块所建立的模型，通过软件功能实现电机温度场的仿真计算要求；

所述系统仿真分析模块负责建立系统级仿真模型，即包括电机、控制器、驱动、传动系统、负载在内的物理模型，并通过系统级仿真，以验证包括机械、电气、电力电子和控制在内的多个领域耦合对系统的影响；

所述结果分析及处理模块负责显示性能曲线并对性能曲线上的数据进行单点提取；电机参数计算后的结果可通过多种方式进行显示，如曲线、数值、报表等，根据显示值，可方便人工进行分析结果是否合理；

所述交互层负责提供软件与用户的人机交互界面及数据的显示；所述交互层主要包括设计流程视图、电机模板选择界面、指标输入界面、电机结构参数计算界面、电磁分析界面、热分析界面、系统仿真分析界面、材料库界面、报表视图、表格视图、场显示视图等。

参见图1和图2所示，一种电机集成设计仿真方法，包括如下步骤：

步骤1、所述仿真系统利用所述电机模板选择模块对电机模板类型进行选择，在选择需要的电机模板后，所选电机模板的所有结构参数和三维模型构型将一同传至所述仿真系统中；同时，所述仿真系统关键性能指标参数传至所述结构参数计算模块；

步骤2、所述仿真系统在所选电机模板中写入设计要素及经验参数值，所述结构参数计算模块根据接收的关键性能指标参数和输入的设计要素及经验参数值，计算出电机的结构参数；结构参数计算结束后，所述仿真系统将所述结构参数计算模块计算出的所有结构参数传至所述三维结构显示模块，同时所述仿真系统将包括电阻和电感在内的电机本体参数传至所述系统仿真分析模块；

步骤3、所述三维模型显示模块对从所述结构参数计算模块传来的参数进行修改并计算；同时，所述仿真系统将三维电机模型传至所述三维结构显示模块；所述仿真系统将所述三维结构显示模块计算出的计算结果分别传至所述电磁分析模块和所述热分析模块；

步骤4、所述仿真系统在所选电机模板中写入包括负载、激励参数、运动条件、仿真时间和步长在内的参数，所述电磁分析模块根据输入的负载、激励参数、运动条件、仿真时间和步长进行电磁分析，并生成相应的电磁分析曲线和云图；

步骤5、所述仿真系统在所选电机模板中写入包括材料热参数、热源参数、仿真时间和步长在内的参数，所述热分析模块根据输入的材料热参数、热源参数、仿真时间和步长进行热分析，并生成相应的热分析曲线和云图；

步骤6、所述系统仿真分析模块根据从所述结构参数计算模块传来的电机本体参数进行系统仿真分析计算。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种电机集成设计仿真系统，其特征在于：所述仿真系统的总体框架由下到上依次分为数据层、服务层、业务层和交互层；

所述数据层是所述仿真系统的知识库，负责提供模板库、算法库、材料库和数据库；

所述服务层负责为所述仿真系统提供功能支持，所述服务层包括一系列功能模块和外部接口；其中，

所述功能模块包括设计流程数据管理模块、电机设计模板管理模块、三维结构显示模板管理模块、结构参数计算算法管理模块、电磁分析算法管理模块、热分析算法管理模块、系统仿真分析模型管理模块、材料库管理模块、数据库管理模块、结果分析及处理模块；

所述外部接口包括pro/E接口、Ansoft接口、Ansys接口和二次开发接口等；

所述业务层负责通过对所述服务层中所述功能模块的调用，通过向导式方式，实现对电机的结构参数计算及电机本体性能的仿真分析；所述业务层按照其工作流程包括电机模板选择模块、结构参数计算模块、三维结构显示模块、电磁分析模块、热分析模块和系统仿真分析模块；其中，

所述电机模板选择模块负责电机模板类型的选择；

所述结构参数计算模块可根据所述指标输入模块提供的输入指标，计算出电机的结构参数；

所述三维结构显示模块可根据所述结构参数计算模块的计算结果对电机模型进行显示和参数驱动；所述三维结构显示模块亦可显示和加载Creo模型的电机三维结构图，通过外部修改三维结构，能自动更新三维结构图；

所述电磁分析模块负责建立电机设计模型，并通过软件的功能实现电机性能的仿真计算要求；

所述热分析模块可利用所述电磁分析模块所建立的模型，通过软件功能实现电机温度场的仿真计算要求；

所述系统仿真分析模块负责建立系统级仿真模型，即包括电机、控制器、驱动、传动系统、负载在内的物理模型，并通过系统级仿真，以验证包括机械、电气、电力电子和控制在内的多个领域耦合对系统的影响；

所述结果分析及处理模块负责显示性能曲线并对性能曲线上的数据进行单点提取；

所述交互层负责提供软件与用户的人机交互界面及数据的显示；所述交互层主要包括设计流程视图、电机模板选择界面、指标输入界面、电机结构参数计算界面、电磁分析界面、热分析界面、系统仿真分析界面、材料库界面、报表视图、表格视图、场显示视图。

2.一种利用如权利要求1所述的仿真系统的电机集成设计仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、所述仿真系统利用所述电机模板选择模块对电机模板类型进行选择，在选择需要的电机模板后，所选电机模板的所有结构参数和三维模型构型将一同传至所述仿真系统中；同时，所述仿真系统关键性能指标参数传至所述结构参数计算模块；

步骤2、所述仿真系统在所选电机模板中写入设计要素及经验参数值，所述结构参数计算模块根据接收的关键性能指标参数和输入的设计要素及经验参数值，计算出电机的结构参数；结构参数计算结束后，所述仿真系统将所述结构参数计算模块计算出的所有结构参数传至所述三维结构显示模块，同时所述仿真系统将包括电阻和电感在内的电机本体参数传至所述系统仿真分析模块；

步骤3、所述三维模型显示模块对从所述结构参数计算模块传来的参数进行修改并计算；同时，所述仿真系统将三维电机模型传至所述三维结构显示模块；所述仿真系统将所述三维结构显示模块计算出的计算结果分别传至所述电磁分析模块和所述热分析模块；

步骤4、所述仿真系统在所选电机模板中写入包括负载、激励参数、运动条件、仿真时间和步长在内的参数，所述电磁分析模块根据输入的负载、激励参数、运动条件、仿真时间和步长进行电磁分析，并生成相应的电磁分析曲线和云图；

步骤5、所述仿真系统在所选电机模板中写入包括材料热参数、热源参数、仿真时间和步长在内的参数，所述热分析模块根据输入的材料热参数、热源参数、仿真时间和步长进行热分析，并生成相应的热分析曲线和云图；

步骤6、所述系统仿真分析模块根据从所述结构参数计算模块传来的电机本体参数进行系统仿真分析计算。