motor-cad 使用案例系列教程（一）...

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Motor-CAD 使用案例系列教程

（一）

凌在汛

三相感应电机电磁热耦合计算

北京天源博通科技有限公司

2015 年 7 月


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目录

1 几何建模 ..............................................................................................................1

1.1 径向几何尺寸设置...................................................................................1

1.2 轴向几何尺寸设置...................................................................................3

1.3 电机 3D 视图查看....................................................................................5

2 绕组设置 ..............................................................................................................7

2.1 绕组信息定义 ...........................................................................................7

2.2 绕组类型设置 ...........................................................................................9

3 电机驱动设置 ................................................................................................... 13

4 其它输入参数 ................................................................................................... 18

4.1 材料......................................................................................................... 18

4.2 设置......................................................................................................... 18

4.3 材料数据库 ............................................................................................ 24

5 电磁场模型求解............................................................................................... 28

5.1 FEA电磁场计算 ................................................................................... 28

5.2 电磁场有限元模型编辑器 ................................................................... 31

5.3 电机性能优化设计器 ........................................................................... 31

6 输出数据 ........................................................................................................... 33

6.1 驱动性能 ................................................................................................ 33

6.2 电磁场计算参数.................................................................................... 34

6.3 等效电路 ................................................................................................ 35

6.4 各项电感 ................................................................................................ 38

6.5 堵转运行 ................................................................................................ 39

6.6 铁芯损耗 ................................................................................................ 40

6.7 电机损耗 ................................................................................................ 42

7 输出曲线 ........................................................................................................... 43

8 三相感应电机电磁热耦合分析...................................................................... 50

9 主要几何尺寸附录........................................................................................... 58

9.1 Airgap 气隙几何尺寸 ........................................................................... 58

9.2 Axial Dimensions 轴向主要尺寸......................................................... 58

9.3 Bearing 轴承尺寸 .................................................................................. 59





9.4 Bore Sleeve 套筒尺寸 ........................................................................... 60

9.5 Covered Fin 散热片尺寸 ..................................................................... 61

9.6 Cowling 整流罩尺寸............................................................................ 61

9.7 Encoder 编码器尺寸 ............................................................................. 63

9.8 End Ring 端环尺寸 .............................................................................. 63

9.9 End Winding 端部绕组尺寸................................................................. 64

9.10 Endcap 端盖尺寸 ............................................................................... 66

9.11 EWdg Insulation 端部绕组绝缘 .......................................................... 67

9.12 Fin 散热片尺寸.................................................................................. 68

9.13 Foot 底角尺寸................................................................................... 69

9.14 Housing 机壳尺寸 ............................................................................ 71

9.15 Motor Length 电机长度 .................................................................... 72

9.16 Plate 机座尺寸 .................................................................................. 72

9.17 Radial Geometry 径向尺寸 (内转子电机) ..................................... 74

9.18 Radial Geometry 径向尺寸 (外转子电机) ..................................... 75

9.19 Rotor Bar 转子导条尺寸 ................................................................. 76

9.20 Rotor Duct 转子通风道尺寸 ........................................................... 81

9.21 Rotor End Winding 转子端部绕组尺寸 ......................................... 85

9.22 Shaft 转轴尺寸.................................................................................. 86

9.23 Shaft Groove 转轴上凹槽尺寸........................................................ 87

9.24 Shaft Hole 转轴上孔径尺寸 ............................................................ 87

9.25 Slot 定子槽尺寸................................................................................. 88

9.26 Stator Duct 定子通风道尺寸 ........................................................... 89

9.27 Tooth Tip 定子齿顶尺寸 .................................................................. 93

9.28 Tooth Width 定子齿宽....................................................................... 94

9.29 Wafter 转盘风扇尺寸 ....................................................................... 94

9.30 Radial Duct 径向通风道尺寸 .......................................................... 96




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1 几何建模

1.1 径向几何尺寸设置

图 1 感应电机电磁计算几何界面概览

图 2 选择电机横向切面视图

图 3 电机横切面各项尺寸种类设置

其中：

Housing：机壳类型，包含 16 种机壳设置，用户可根据右侧显示图中的提示

选择所需机壳；

Slot type:定子齿槽设置，包含平行齿、平行槽等 5 种设置，梨形槽可通过设1

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置定子槽底倒角半径实现；

Stator ducts：定子通风道设置，包含矩形通风道、圆形通风道等 4 类通风道；

Mounting：装配形式，包含法兰式、底脚式、混合式安装形式；

Top Bar：上层鼠笼导条形式，包含圆形槽、矩形槽、平行齿等 4 种；

Bottom Bar:下层鼠笼导条形式，种类同上，当电机为单笼形式时，默认为 none；

Rotor ducts：转子通风道设置，包含圆形、弧形、矩形等 4 种通风道形式。

定子尺寸

定子槽数机壳外径定子铁芯外径定子铁芯内径定子齿宽定子槽深定子槽底倒角半径定子槽开口宽度定子槽开口深度定子槽肩角定子内表面套筒厚度散热片伸展长度散热片厚度

散热片齿间距与齿厚度之比散热片齿间距

角部切口百分比电机轴中心高

安装底脚宽（机壳侧）

安装底脚宽（底座侧）底座宽度

底座厚度图 4 感应电机定子尺寸参数

2



转子尺寸

转子导条数

电机极数

转子槽开口宽度

转子槽开口深度

转子槽肩角

转子齿宽

转子槽深

槽底半径

气隙长度

转子外表面套筒厚度

转轴直径

转轴通风孔直径

图 5 感应电机转子尺寸参数

1.2 轴向几何尺寸设置

图 6 选择电机纵向切面视图

图 7 电机纵切面各项尺寸种类设置

其中：

EWdg Cavity:定子绕组端部密封形式；

Cowling:电机整流罩；

Fan:散热风扇；

Feedback:编码器安装组件；

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Shaft Type:转轴类型；

Radial Ducts:径向通风道。

机壳外径后端转轴直径

前机壳厚度缩小量转轴孔直径后机壳厚度缩小量转轴中心高度

定子铁芯外径底座厚度

定子内径端部绕组径向外延长(前端 )

气隙长度端部绕组径向外延长(后端 )

转子套筒厚度端部绕组径向内延长(前端 )

定子套筒厚度端部绕组径向内延长(后端 ) 前端端环外扩量端部绕组绝缘纸厚(前端)

前端端环内扩量端部绕组绝缘纸厚(后端) 后端端环外扩量轴承直径(前端)

后端端环外扩量轴承直径(后端)

转盘风扇数散热片伸出长转盘风扇齿厚整流罩厚度前转盘风扇内延量整流罩与散热片间隙后转盘风扇内延量散热风扇叶片数前转盘风扇外延量散热风扇叶片厚后转盘风扇外延量散热风扇直径

转轴直径散热风扇背板直径

前端转轴直径散热风扇底座直径

图 8 感应电机径向参数

电机长度

转盘风扇深度减少量

定子铁芯长前端转轴伸出长

转子铁芯长后端转轴伸出长定子铁芯轴向位移法兰厚度转子铁芯轴向位移安装底盘厚度前端端部绕组突出长前端轴承宽度后端端部绕组突出长后端轴承宽度前端端部绕组直线伸出长前端轴承位移后端端部绕组直线伸出长后端轴承位移

前端端盖长度定子铁芯前压板厚度

后端端盖长度定子铁芯后压板厚度前端端盖厚度整流罩长度

后端端盖厚度整流罩与端盖间距

前端端环厚度散热风扇轴向位置后端端环厚度散热风扇叶片宽度



前端端环伸出长散热风扇叶片位移后端端环伸出长散热风扇背板宽度

转盘风扇长度散热风扇底座直径

图 9 感应电机轴向参数

1.3 电机 3D 视图查看

图 10 选择电机 3D 视图

图 11 选择电机 3D 视图

通过点选左侧边栏中的电机各项部件，来检视模型参数是否正确输入。



图 12 电机几何模型的导出

在中，可选择格式 STL 进行 3D 电机模型的输出；

也可选择 DXF 进行 2D 模型的输出；这也方便了 Motor-CAD 与电磁场有限元软

件 FLUX 的链接。通过选择 Star-CCM+也可生成与流体力学(CFD)分析软件 Star-

CCM+的工程文件。



2 绕组设置

2.1 绕组信息定义

图 13 感应电机电磁计算绕组设置界面概览

图 14 定子绕组基本设置

选择 Definition 栏设置绕组信息。如图 14 所示，其中：

Winding Type: 绕组类型；

Wdg Definition：绕线定义，导线线径按照槽满率定义选“Copper Slot Fill”；

自定义线径选“Wire Size”；另外还有特殊形式的绕组绕线设置“Heavy Build slot

fill”；

Wedge Model: 槽楔类型；



Mat[Liner-Lam]:槽绝缘与槽壁间是否注胶；

EWdg Definition:定子绕组端部定义；

EWdg Cavity: 定子绕组端部密封形式。

图 15 电机绕线线径及铜芯线径

输入参数输入参数

铜芯占槽比重并绕根数端部绕线密集度每槽导体数槽绝缘厚度端部绕组每匝平均长度

槽底额外绝缘厚槽侧壁处额外绝缘厚槽绝缘与铁芯间隙注胶导热修正系数

绕组下线深度槽绝缘与槽壁导热修正系

导体间隙端部注胶导热修正系数

图 16 感应电机绕组输入参数

当图 16 参数输入完毕后，Motor-CAD 软件可自动计算出槽面积、槽内绕组

面积等参数的值，如图 17 所示。

图 17 感应电机绕组参数计算结果



2.2 绕组类型设置

图 18 感应电机绕组分布形式设置

图 18 为绕组分布形式的设置工具，其中：

Winding Type：绕组类型，对于常规绕组可选择 Automatic，而对于非常规绕

组，则选择 Custom 进行自定义设置；

Turns:每线圈串联匝数；

Throw：线圈跨距（以槽数计）；

Parallel Paths：绕组并联支路数；

Offset：相间槽位移；

Path Type:多层线圈位置设置；

Winding Layer：线圈层数设置。

设置完毕之后可查看图 19 至图 22 的绕组分布结果。



图 19 感应电机绕组分布形式结果查看（1）




3 电机驱动设置

图 23 感应电机驱动形式界面概览

图 24 感应电机驱动形式及运行工况设置

图 24 中：

Drive Mode:电机驱动形式，可选电动机“Motor”、发电机“Generator”、电动/



发电机“Motor/Generator”以及制动工况运行电机“Brake”；

Operating Point Definition:运行工况设置，可通过选择三种运行参数来确定电

机运行时的转速、转差率以及运行电频率。

图 25 感应电机驱动电源设置

Supply Definition:电源设置，正弦电源“AC Mains”、逆变器供电电源“Inverter

Fed”；

Voltage Definition:电压源定义，以幅值定义“Peak”、以有效值定义“RMS”。

图 26 感应电机绕组联接形式设置

Star Connection:星接/Y接法；

Delta Connection：三角接法。

图 27 感应电机斜槽设置

Skew：斜槽设置，设置定子斜槽或转子斜槽角度(degree)。



图 28 感应电机各部分运行温度设定

通过图 28 中给定的各部分温度来计入电机各部件温度对电机材料性能的影

响，具体各项值可预估得到，无需精确给定。

图 29 感应电机电磁场及温度计算的耦合分析设置

No coupling: 不耦合，此时电磁计算用到的温度为上一步设定的温度；

E-Magnetics Losses →Thermal:将电磁场计算得到的各部分损耗导入到温度

计算中；

E-Magnetics ←Thermal Temperatures:将温度计算得到的结果导入到电磁场

计算中以考虑温度对材料的影响；

Iterate to Converged Solution: 以上一步设定的初始温度为基础，进行多次双

向迭代计算，得到收敛的计算结果。



图 30 感应电机电磁计算任务选择

Synchronous speed 同步转速:

假设电机在同步速下运行，此时，转子导条的感应电流值可设为 0。使用

电磁场有限元数值计算的手段计算下面两项参数：

Core losses 铁耗: 利用有限元数值法计算感应电机同步速下的铁芯损耗。

等效铁损电阻的值将在 5 种电流水平（0.1,0.2,0.5,1,1.5*空载电流）下计算铁

芯损耗得到。

Self and Mutual inductance 自感及互感：在相同电流值下计算得到绕组

自感及互感的值，并推导出激磁电感及定子漏感的值。

Single Load Point 单个运行点：

通过对各单个运行工况下电机性能的计算，解析解及经有限元数值解校

正的结果。

Torque / Speed Characteristic 转矩/转速特性：使用等效磁路法计算得到

电机转矩-转速相关的性能曲线。

Acceleration 加速特性：通过对机械运动方程的解析计算得到考虑负载

影响的电机起动特性，负载转矩的定义请见 Settings > Calculation [Settings]。

注意：时间积分步长对计算结果的影响较大，需要确保起动期间的计算点数

足够。

Locked Rotor 堵转特性：假设转子相对定子静止不动，定子绕组通以

0.1𝑓𝑓𝑁𝑁、0.5𝑓𝑓𝑁𝑁以及𝑓𝑓𝑁𝑁频率的电流，其中𝑓𝑓𝑁𝑁为基波频率。使用 2D 时步有限元求

解器求解电机模型，得到转矩、转子鼠笼损耗、转子折算电阻及折算漏感等

参数。



图 31 电磁场数值计算及取消按钮

Solving the electromagnetic model：

如果 Input Data 项的设置已经设置完毕，可直接点击图 31 的按钮 Solve E-

Magnetic Model 进行计算。在计算过程中，Motor-CAD 窗口下方的状态栏中将显

示计算进度。用户可以通过点击Cancel Solving 按钮随时停止计算。



4 其它输入参数

4.1 材料

图 32 输入参数界面概览

如图 32 所示，选择 Materials 选项卡，在软件自带数据库中选择定、转子铁

芯，定子绕组以及转子鼠笼导条的材料。各材料的主要材料特性将自动显示在后

表各项属性中。

4.2 设置

4.2.1 几何模型设置

图 33 中列出了端盖规格、端部绕组规格、流体箭头标示设置、温度图

示设置、散热片设置、部件颜色设置以及流体箭头图例设置，如无特殊要

求，一切按照默认值设置即可。



图 33 几何模型设置编辑界面

4.2.2 电磁场

图 34 几何模型设置编辑界面

铁损“Losses”设置：Stator iron loss build factor 及 Rotor iron loss build factor

分别为定、转子铁损的校正系数。

铁损计算模型“Iron loss calculation”中给出了两种铁损计算的公式：

Bertotti 铁耗分离三项式以及默认的 Steinmetz 铁损计算两项式。

在铁芯“Cores”设置中，分别对转子铁芯“Rotor Iron”以及定子铁芯“Stator 19



Iron”进行设置，具体类型有：叠片式“Laminated”、实心式“Solid”以及非铁磁

材质“Non magnetic”；并有两者铁芯叠片系数的设置“lamination stacking

factor”。

端环电抗的计算“End Ring inductance Calculation”给出了两种计算方法：

Richer 计算法以及 Liwschitz-Garick 计算法。

斜槽对电机等效电路的影响“Equivalent circuit skewing effect method”也有

两种算法：Richer 计算法以及Veinott 计算法。

4.2.3 计算

图 35 电磁场有限元计算设置编辑界面

剖分控制“Mesh Control”:控制气隙中的剖分点数“Airgap points”，并可通

过修改“Global factor”的值来增加或减少剖分密度。

模型周期设置“Model Size”:使用对称周期模型“Use symmetry”（默认），

使用全模型 “Full machine”，使用用户自定义对称模型 “User Specfied

symmetry”。

计算设置“Calculation will run”:每次查看结果以及输入数据“input data”改

变时自动进行计算选择“Automatically”，按照用户要求进行计算选择“Only on



user request”（默认）。

铁耗计算设置“Core Loss Calculation”:每个电周期的铁耗计算点数“Points

per cycle”,计算电周期数“Number of cycles”。

堵转工况计算“Locked Rotor Calculation”: 每个电周期计算点数“Points

per cycle”, 计算电周期数“Number of cycles”。

图 36 机械运动转速计算

起动计算“Acceleration Calculation”:

“Points”:根据电机电磁场计算得到的转矩-转速数据，结合电机负载转矩

的信息，解得电机的运动方程。

“Start duration”:开始周期

“Torque at 0 rpm”：零转速起动时转矩的值

“Torque at ref speed”: 在参考转速下的负载转矩

“Refrence Speed”: 参考转速

“Speed coefficient”:转矩修正系数

“Load intertia”:负载的转动惯量

“Fan intertia”:风扇的转动惯量

“Inductance Calculation”: 电感计算，每个电周期计算点数“Points per

cycle”, 计算电周期数“Number of cycles”。

21



4.2.4 绘图设置

图 37 作图设置界面

如无特殊要求，该选项卡中的各项设置都可以选择默认设置。

4.2.5 临近效应损耗计算设置



图 38 临近效应造成的损耗计算

在变压器损耗的计算中需要将临近效应造成的损耗计入其中，而电机则一般

忽略该项损耗的影响，设置如图 38 所示。

然而，由于相邻导体中高频电流的影响，使得电机绕组涡流增加、截面电流

密度分布不均、焦耳损耗增大。这种增加在高速电机中尤为明显，在对一台

12000RPM 的电机试验测试时发现，其绕组交流电阻及直流电阻 Rac/Rdc 的比高

达 17。在对临近效应进行有限元计算时，其详细设置方法请见 Help > Input Data

Editor > Settings > Losses [Settings] > Proximity Losses.



4.3 材料数据库

图 39 Motor-CAD 材料数据库编辑设置界面

由于 Motor-CAD 中需要对电机电磁性能及热路分布进行计算，因此需知道

电机各部件材料的详细材料属性，包括：材料热导率、比热容、材料密度，对于

铁磁材料还需知其磁化性能及损耗性能，对于硬磁材料还需知其剩磁、相对磁导

率以及温度对剩磁的影响系数等。

图 40 Motor-CAD 材料数据库编辑菜单



如图 40 所示，用户可以完成选择材料库、新建材料库、添加材料实体、重

命名材料实体、删除材料实体以及复制材料实体等功能。

图 41 Motor-CAD 自带材料数据库中各永磁材料的基本信息



图 42 Motor-CAD 自带材料数据库中 M400-50A 硅钢片磁化性能

图 42 中给出了 M400-50A 硅钢片的磁化性能，图 43 为该材料在不同磁化

频率下的损耗性能及 Steinmetz 损耗系数的值。

图 43 Motor-CAD 自带材料数据库中 M400-50A 硅钢片铁损性能



图 44 Motor-CAD 自带材料数据库中 N38SH 永磁材料剩磁性能

图 45 Motor-CAD 自带材料数据库中 N38SH 永磁材料电阻率



5 电磁场模型求解

5.1 FEA 电磁场计算

设置完成后，点击 Solve E-Magnetic Model 进行电磁场数值求解。等待求解

之后查看结果。

图 46 有限元模型的电磁场求解

在界面左下方侧有计算结果选择的下拉菜单，通过点选不同工况下的计算文

件来查看对应的分析结果。

图 47 选择对应的计算结果进行查看



图 48 有限元模型的磁密分布计算结果

图 49 有限元模型的磁动势分布结果



图 50 有限元模型的电流密度分布结果(绕组内)

图 51 有限元模型的感应电密分布结果（转子导条内）



5.2 电磁场有限元模型编辑器

该功能可进行电磁场有限元模型的编辑及修改，其具体使用方法请见本公司

的后续教程文档或参考软件自带 help。

图 52 有限元模型编辑器

5.3 电机性能优化设计器

电机设计人员通过使用该优化设计器，能有效的提升电机性能，缩短优化设

计周期，熟练使用该项功能将对产品的研发带来强大助力。在后续的

MOTORCAD 教程中将通过实际案例对该功能的使用方法进行详细讲解。



图 53 电机参数化优化功能界面



6 输出数据

6.1 驱动性能

图 54 驱动性能信息

驱动性能信息输出界面中给出了电机空载电流、空载输入功率、起动转矩/电

流、最大转矩/电流倍数、绕组相电感/互感、堵转转矩/电流、最大转矩等性能信

息。需要注意的是，图中给出的起动工况下电机转矩、电流等值都是在 5Hz下计

算得到的数值。该值永磁电动机变频起动时有一定参考价值，而对于工频供电下

的感应电机起动特性计算则应取 50Hz 下的计算结果，请见图 61 中尾号为（P1）

的参数。



6.2 电磁场计算参数

图 55 电磁场计算参数结果

图 55 中给出计算得到的感应电机部分额定工况计算结果。其中有电机反电

势、绕组相电流/线电流/激磁电流、定子绕组电阻电压降、铁芯损耗电流、额定

转矩、功率因数、效率、转矩密度、定转子齿部及轭部磁密等参数。

参考文献：

[1] R. Richter, Elektrische Maschinen - Die Induktionsmaschinen. Springer, 1954.

[2] J. Pyrhonen, T. Jokinen, and V. Hrabovcova, Design of Rotating Electrical,

Machines. John Wiley & Sons, 2008.

[3] I. Boldea, S. A. Nasar, and I. Boldea, The Induction Machines Design, Handbook,

Second Edition. CRC Press, 2009.

[4] C. G. Veinott, Theory and design of small induction motors. New York: McGraw-

Hill, 1959.

[5] P. L. Alger, Induction Machines. Their Behavior and Uses. Second Edition, Gordon



and Breach, 1970.

6.3 等效电路

图 56 感应电机 T 型等效电路



图 57 感应电机 T 型等效电路各元件参数值

图 58 感应电机 T 型等效电路各元件电压值



图 59 感应电机 T 型等效电路各元件有功功率消耗



6.4 各项电感

图 60 各部分电感值

图 60 中的各项电感参数利用 10 组转子开路的 2D 静磁场有限元数值计算结

果计算得到的。

其中 5 组结果是通过 3 相对称电流的某一时刻值进行2D静磁场有限元计算，

以推导得到绕组相电感。

另外 5 组结果是利用单相通电计算得到电机绕组的自感及互感参数。

根据相电感、自感以及互感间的关系，推导得到电机定子漏感以及激磁电感

（忽略绕组互漏漏）。

a1, a2, a3 – 激磁电感曲线的拟合系数。

参考文献：

[1] Adkins, B. 1957. "The General Theory of Electrical Machines", Chapman & Hall

Ltd, London

[2] Fitzgerald, A.E., et al. 1990. "Electric Machinery" Fifth Ed., McGraw-Hill



Publishing, New York

[3] Fortescue, C.L. 1918. "Method of Symmetrical Co-ordinates Applied to the

Solution of Polyphase Network", AIEE Transactions, Vol. 37, pp. 1027-1115

[4] Levi. E. 1984. "Polyphase Motors", Wiley, New York

6.5 堵转运行

图 61 堵转工况计算结果

3 组 0.1𝑓𝑓𝑁𝑁、0.5𝑓𝑓𝑁𝑁以及𝑓𝑓𝑁𝑁频率堵转电流激励下的 2D 时步有限元计算结果被用

于堵转运行参数的计算。利用串并联电路的转换关系，推导得到折算后的转子等

效电阻及漏感等参数。

参考文献：

[1] L. Alberti, N. Bianchi and S. Bolgnani, A Very Rapid Prediction of IM Performance

Combining Analytical and Finite-Element Analysis, IEEE Transactions on Ind. Appl. ,

Vol. 44. No. 5, Sept/October 2008, pp. 1505-1512



6.6 铁芯损耗

图 62 铁芯损耗计算结果

铁芯损耗的计算是通过对电机求解面域中定子铁芯各单元的磁密变化实现

的。通过改进的 Steinmetz 或 Bertotti 铁耗计算模型来计算铁耗值。

空载饱和系数是通过 Motor-CAD 内部非线性等效磁路解析计算得到的，以

便于与电感计算结果进行对比。

Bertotti 铁耗计算模型：

硅钢生产厂家提供的铁损数据一般为正弦激励下测试值，可分成下式中三项

铁损，即：磁滞损耗、涡流损耗以及异常损耗。

其中： Lamination thickness 的单位为[m],

f 的单位为[Hz]，



B 的单位为[T]，

Kh、α、Kexc 为通过曲线拟合技术对铁损曲线处理得到的损耗系数。

改进的 Steinmetz计算模型：

改进的 Steinmetz 计算模型将硅钢片材料铁损分为磁滞损耗及涡流损耗两个

部分，如下式所示。

其中： f 的单位为[Hz]，

B 的单位为[T]，

Kh、α、β、Keddy 为通过曲线拟合技术对铁损曲线处理得到的损耗系

数。

参考文献：

[1]. G. Bertotti, “General properties of power losses in soft ferromagnetic materials,”

IEEE Trans. on MAG, vol. 24, no. 1, pp. 621–630, Jan. 1988

[2]. D.M., Ionel, M. Popescu, M.; MI, McGilp, TJE Miller, S.J. Dellinger, R.J.

Heidemann [2007] “Computation of Core Losses in Electrical Machines Using

Improved Models for Laminated Steel”, IEEE Transactions on Industry Appl. – Vol. 43,

No. 6, Nov/Dec 2007 – pp. 1554-1564

[3]. Allen N, Lai HC, Rodger D and Leonard PJ, IEEE Trans., Vol. MAG-34, No. 5,

September 1998, pp. 2535-2538

[4]. Hameyer K and Belmans R, Numerical modelling and design of electrical

machines and devices, WIT Press, 1999

[5]. Salon S.J. Finite element analysis of electrical machines, Norwell, MA: Kluwer

Press, 1995



6.7 电机损耗

图 63 电机各部分损耗计算结果

电机各部分损耗的计算是通过最后一个电周期内损耗功率积分得到的。例如

设定的计算电周期为 5，那么只有第 5 个电周期内的损耗被积分得到最终的电机

各部分损耗值。



7 输出曲线

以下图 64 至图 69 的曲线为利用基于等效磁路计算的解析法计算得到的结

果：

图 64 定、转子电流及激磁电流的变化曲线

图 65 电机输入功率及输出功率的变化曲线



图 66 电机输出转矩的变化曲线

图 67 电机损耗的变化曲线



图 68 电机气隙磁密随位置的变化曲线

图 69 电机功率因数随转差率的变化曲线



图 70 电机效率随转差率的变化曲线

以下图 70 到图 76 的曲线为利用基于电磁场有限元的数值法计算得到的结

果：

图 71 不同供电频率下堵转转矩随时间的变化曲线



图 72 电机空载运行时各部分电感随电流的变化曲线

图 73 电机空载运行时磁链随电流的变化曲线



图 74 电机起动时转速随时间的变化关系

图 75 电机起动时转矩随时间的变化关系



图 76 电机起动时相电流随时间的变化关系

图 77 电机起动时转矩随转速的变化关系



8 三相感应电机电磁热耦合分析

在前文进行三相感应电机电磁性能计算的过程中，假设电机各部分的温度都

为给定的恒定值，从而得到该假设温度环境下的电机性能。在本节中，将介绍电

机电磁热耦合分析的分析步骤。

其基本原理是在假定温度下利用电磁计算模块计算电机各部分的损耗，然后

将损耗值导入到温度计算模块来计算电机各区域的温度分布，进而回到电磁计算

模块计算在该温度分布情况下的电机各部分损耗值。将上述过程进行迭代，最终

得到收敛的电机温度分布情况及各部分损耗情况。

下面对具体操作步骤进行讲解。

首先，在菜单栏中选择温度计算模块。

图 78 选择温度计算模块

然后，在 Input Data 中修改冷却设置。本文中使用的电机样机采用封闭自扇

冷却的方式，因此，在 Cooling Options 中选择第二项 Blown Over。即散热风扇

提供的风流过电机机壳表面。

50



图 79 冷却设置

根据电机实际情况更改机壳表面流体情况。

图 80 机壳表面流体设置（1）

图 81 机壳表面流体设置（2）

返回电磁计算模块。



图 82 选择电磁计算模块

更改电机驱动设置中的求解任务及链接选项。

图 83 求解任务及链接形式

点击图标进行迭代求解。此时会弹出图 83 中的对

话框，点 OK 进行计算。



图 84 确认迭代要求

迭代计算结果如图 84 所示：

图 85 迭代计算结果

选择 Output Data 中的 Losses 查看计及温度影响的电机各部分损耗。



图 86 迭代计算得到的各部分损耗值

再次进入温度计算模块。

图 87 选择温度计算模块

查看 Input Data 中的 Losses，电机内主要损耗部分（定子铜耗、定子齿部及

轭部铁耗、转子铜耗）各部分数值与图 85 的结果一致。



图 88 温度计算模块所用的输入损耗参数

图 88 到图 90 为电机各部分温度计算结果。

图 89 电机热路计算结果



图 90 横截面中的温度计算结果

图 91 纵截面中的温度计算结果



9 主要几何尺寸附录

9.1 Airgap 气隙几何尺寸

Airgap: 定转子铁芯间的气隙长，包含非磁性套筒的厚度。

9.2 Axial Dimensions 轴向主要尺寸

Stator Lam Length: 定子铁芯轴向长.

Magnet Length: 永磁体轴向长度.

Rotor Lam Length: 转子铁芯轴向长.

Stator Axial Offset: 铁芯轴向中心线与机壳轴向中心线的偏移量.

Magnet Axial Offset: 永磁体轴向中心线与定子铁芯轴向中心线的偏移量.

Rotor Axial Offset: 转子铁芯轴向中心线与定子铁芯轴向中心线的偏移量



9.3 Bearing 轴承尺寸

Bearing Dia [F] 轴承外径 [电机前端]

Bearing Dia [R] 轴承内径 [电机后端]

Bearing Width [F] 轴承宽度 [电机前端]

Bearing Width [R] 轴承宽度[电机后端]

Bearing Offset [F] 轴承偏移 [电机前端]. 轴承与端盖的偏移量.

Bearing Offset [R] 轴承偏移 [电机后端]. 轴承与端盖的偏移量.



9.4 Bore Sleeve 套筒尺寸

Sleeve Thickness: 定子铁芯内套筒，该部件厚度包含在气隙厚度参数中。

当定子铁芯内套筒大于零时，将该参数计入热路计算当中，但不计入电磁计算中。

Stator Sleeve Axial Length: 假设定子铁芯内套筒覆盖电机内整个轴向长。



9.5 Covered Fin 散热片尺寸

9.6 Cowling 整流罩尺寸

Cowling Length: 风扇整流罩轴向长度

Cowling Thickness: 风扇整流罩厚度

Cowling Axial Gap: 风扇整流罩轴向间隙

Cowling Radial Gap 风扇整流罩径向间隙



9.7 Encoder 编码器尺寸

Enc Shaft Dia: 编码器轴直径

Enc Case Dia: 编码器保护罩外径

Enc Case Thick: 编码器保护罩厚度

Enc Radial Gap: 编码器保护罩与编码器单元间的径向间隙

Enc Length: 编码器单元轴向长度

Enc Case Length: 编码器保护罩长度

Enc Barrier Length: 电机转轴与编码器单元间绝热单元厚度

Enc Axial Gap: 编码器保护罩与编码器单元间的轴向间隙

9.8 End Ring 端环尺寸

EndRing Add [Outer F] 电机前端的转子端环以转子表面起沿径向外伸的

长度.

EndRing Add [Inner F] 电机前端的转子端环以转子槽底起沿径向内伸的

长度.

EndRing Add [Outer R] 电机后端的转子端环以转子表面起沿径向外伸的

长度.

EndRing Add [Inner R] 电机后端的转子端环以转子槽底起沿径向内伸的



长度.

EndRing Thickness [F] 电机前端的转子端环厚度.

EndRing Thickness [R] 电机后端的转子端环厚度.

EndRing Extension [F] 电机前端的转子导条伸出长.

EndRing Extension [R] 电机后端的转子导条伸出长.

9.9 End Winding 端部绕组尺寸

EWdg-Housing [F] 端部绕组和机壳之间的间隙 [电机前端].

EWdg-Housing [R] 端部绕组与机壳之间的间隙 [电机后端].

EWdg-Bore [F] 端部绕组与定子内表面间的间隙 [电机前端].



EWdg-Bore [R] 端部绕组与定子内表面间的间隙 [电机后端].

EWdg Overhang [F] 端部绕组轴向长 [电机前端].

EWdg Overhang [F] 端部绕组轴向长 [电机后端].

Wdg Extension [F] 绕组直线伸出长 [电机前端]

Wdg Extension [R] 绕组直线伸出长 [电机后端]

EWdg-Endcap [F] 端部绕组与端盖之间的间隙 [电机前端]

EWdg-Endcap [R] 端部绕组与端盖之间的间隙 [电机后端]

Winding Add [Outer F]: 前段端部绕组径向外突出尺寸

Winding Add [Outer R]: 后段端部绕组径向外突出尺寸

Winding Add [Inner F]: 前段端部绕组径向内突出尺寸

Winding Add [Inner R]: 后段端部绕组径向内突出尺寸



9.10 Endcap 端盖尺寸

Endcap Length [F]: 端盖轴向长度[电机前端]

Endcap Length [R]: 端盖轴向长度[电机后端]

Endcap Thickness [F]: 端盖厚度[电机前端]

Endcap Thickness [R]: 端盖厚度[电机后端]



9.11 EWdg Insulation 端部绕组绝缘

EWdg Insulation[F]: 端盖轴向长度[电机前端]

EWdg Insulation[R]: 端盖轴向长度[电机后端]



9.12 Fin 散热片尺寸

Fin Number [Quadrant] 1/4 机壳上的散热片数

Fin extension 散热片伸出长

Fin thickness 散热片平均厚度

Fin Pitch/Thick 散热片跨距与散热片厚度之比

Fin Pitch [Calc] 散热片跨距



Fin Spacing [Fin Base] 散热片间距

9.13 Foot 底角尺寸



Shaft Height: 电机中心高

Feet Width [Motor]: 机壳侧底脚宽度 [假设两底脚].

Feet Width [Base]: 机座侧底脚宽度 [假设两底脚].

Feet Length: 底脚轴向长度

Base Width: 机座宽度

Base Thickness: 机座厚度

Base Length: 机座轴向长度

70



9.14 Housing 机壳尺寸



Housing Length: 机壳轴向长度（包含前后端盖）

Housing Step [F]: 电机前端机壳厚度变化量

Housing Step [R]: 电机后端机壳厚度变化量

9.15 Motor Length 电机长度

电机轴向长度 [包含前后端盖厚度，也称为 Housing Length]:

9.16 Plate 机座尺寸

Flange diameter: 法兰安装平台凸缘架内直径

Flange extension: 法兰安装平台凸缘架伸出机壳长

Plate Height: 机座高度

Plate Width: 机座宽度

Flange Depth: 法兰安装平台凸缘架厚度

Plate Thickness: 机座厚度 72



9.17 Radial Geometry 径向尺寸 (内转子电机)

Housing Dia: 机壳直径

Stator Bore: 定子铁芯内径

Stator Lam Dia 定子铁芯外径

Fin Extension: 散热片伸出机壳长



9.18 Radial Geometry 径向尺寸 (外转子电机)

Armature Diameter PMDC 电机的转子直径或者 BPMOR 电机的定子

直径

Back Iron Thickness PMDC 电机的定子铁芯厚度或者 BPMOR 电机的

转子铁芯厚度定子直径

Housing Thickness PMDC 电机的机壳厚度或者 BPMOR 电机的转子

机壳厚度



9.19 Rotor Bar 转子导条尺寸

Rotor Bars: 感应电机转子导条数

Bar Opening [T]

转子槽开口宽度

Bar Opening Depth [T]

转子槽开口深度



Bottom Bar:

Bar Opening [B]

底笼开口宽度

Bar Opening Depth [B]

底笼开口深度

Round bar:

Bar Width [T]

上层笼圆形槽宽度

Bar Width [B]

底笼圆形槽宽度



Rectangular bar:

Bar Width [T]

上层笼矩形槽宽度

Bar Width [B]

底笼矩形槽宽度

Bar Depth [T]

上层笼矩形槽深度

Bar Depth [B]

底笼矩形槽宽度

.



Bar Tip Angle [T]

上层笼槽肩角

Bar Tip Angle [B]

底层笼槽肩角

Parallel Tooth bar:

Rotor Tooth Width [T]

上层笼对应齿宽

.

Rotor Tooth Width [B]

底笼对应齿宽

Bar Depth [T]

上层笼矩形槽深度

.

Bar Depth [B]

底笼矩形槽深度



Bar Corner Radius [T]

上层笼矩形槽深度底部倒角

Bar Corner Radius [B]

底笼矩形槽深度底部倒角

Pear bar:

Rotor Tooth Width [T]

上层笼对应齿宽

Rotor Tooth Width [B]

底笼对应齿宽

Bar Depth [T]

上层笼槽深度

Bar Depth [B]

底笼槽深度



Bar Corner Radius [T]

上层笼槽底倒角

Bar Corner Radius [B]

底笼槽底倒角

Bar Opening Radius [T]

上层笼槽顶倒角

Bar Opening Radius [B]

底笼槽顶倒角

9.20 Rotor Duct 转子通风道尺寸

Motor-CAD 中定义的转子通风冷却系统的通风道类型有以下 4 种：

Circular Ducts with up to 4 layers of ducts

Shaft Spoke



Arc Ducts with up to 4 layers of ducts

Rectangular Ducts with up to 4 layers of ducts

Shaft spoke Ducts

Circular ducts



Arc ducts

83



Rectangular ducts

定义转子通风道尺寸的参数位于 Radial Cross-Section Editor(横截面径向参数编辑

器中)：



当转子通风道类型为圆形通风道 Circular Ducts 时，参数 Circular RDuct

Layers 定义了通风道层数。每层通风道都有不同的位置设置、大小、数量等参数

进行定义。

9.21 Rotor End Winding 转子端部绕组尺寸

Liner Rotor EWdg: 同步电机转子端部绕组罩壁厚度

Rotor EWdg Ohang: 同步电机转子绕组轴向突出长



9.22 Shaft 转轴尺寸

Shaft Dia [F]: 前端转轴直径

Shaft Dia [R]: 后端转轴直径

Enc Shaft Dia: 编码器轴直径

Shaft Extension [F]: 前端转轴伸出机壳长

Shaft Extension [R]: 后端转轴伸出机壳长



9.23 Shaft Groove 转轴上凹槽尺寸

Shaft_Groove_Wall 转轴上凹槽套筒径向厚度

Shaft_Groove_Height 转轴上凹槽深度

Shaft_Groove_Width 转轴上凹槽宽度

Shaft_Groove_Spacing 转轴上凹槽间距

9.24 Shaft Hole 转轴上孔径尺寸



9.25 Slot 定子槽尺寸

Slot Corner Radius: 槽底倒角半径（也被用于建立梨形槽）

Slot depth: 槽总深度



Slot Opening: 槽开口宽度

Slot Width: 平行槽槽宽:

9.26 Stator Duct 定子通风道尺寸

Motor-CAD 中定义的定子通风道类型有以下 4 种：

Circular Lamination - Housing Divider

Rectangular Lamination - Housing Divider

Circular Ducts (up to 4 different layers available)

Rectangular Ducts (up to 4 different layers available)

其中，Lamination - Housing Divider Ducts 类型的通风道只能用于通风冷却系

统 Through Ventilation cooling。

即：若定子通风道位于定子叠片铁芯内，则其冷却系统只能采用通风冷却；

若通风道位于机壳内且机壳类型非方形，则其冷却系统只能采用机壳水冷

Housing Water Jacket(除非 Use Circular Ducts in Housing for TVent Flow = enabled)；若通

风道位于机壳内且机壳类型为方形，则其冷却系统只能采用通风冷却。



Circular Lamination - Housing Divider

Rectangular Lamination - Housing Divider



4 layers of Circular Ducts. 2 Layers in stator, 2 layers in housing

91



Circular Ducts with square housing. 2 Layers in stator, 2 layers in housing.

1 layer of rectangular ducts in the stator lamination.



9.27 Tooth Tip 定子齿顶尺寸

Tooth-tip depth: 槽口深度

Tooth-tip angle: 齿顶肩角.



9.28 Tooth Width 定子齿宽

9.29 Wafter 转盘风扇尺寸

Wafter Number: 转子每端转盘风扇齿数



Wafter Length: 转盘风扇轴向长度

Wafter Depth Reduct: 转盘风扇齿深度减少量

Wafter Thickness: 转盘风扇周向厚度

对于感应电机，其转盘风扇位于转子端环上。而对于 BPM 电机，其转盘风

扇尺寸可由下面几个参数定义。

Wafter Add [Inner F] : 前端转盘风扇内延调整量

Wafter Add [Inner R] : 后端转盘风扇内延调整量



Wafter Add [Outer F] : 前端转盘风扇外延调整量

Wafter Add [Outer R] : 后端转盘风扇外延调整量

9.30 Radial Duct 径向通风道尺寸

电机径向通风道由下面几个下拉选择栏及参数定义得到，其中包含了定/转子

径向通风道数、定 / 转子径向通风道宽度设置。

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