Motor-CAD实验室模块允许我们快速准确地计算整个运行范围内的电机性能。我们可以创建效率图，研究热约束运行包络，并分析复杂驱动循环的性能。
Lab模块采用混合模型，将有限元计算的准确性与解析算法的速度相结合。我们首先建立实验室模型，进行一系列有限元模拟，以充分描述电机的饱和和损耗行为。一旦模型建立完成，我们就用它来用分析方法精确地计算电机的性能。
使用主菜单中的“Model -> Lab”切换到Lab。
以下选项卡在Lab中可用：
(1)峰值转矩/转速计算
必须先建立Lab模型，然后才能执行任何计算。饱和模型选项解释如下：
Fixed Inductance: 假设在整个工作范围内电感值不变。不需要建立饱和模型。
Saturation Model (Single Step): 通过静态有限元分析模拟，在不同的电流和相位超前值下表征电机饱和，每个值仅使用一个转子位置。假设磁链与转子位置不变。
Saturation Model (Full Cycle)：用有限元分析模拟了不同电流和相位超前值下的电机饱和特性。对于每一点，使用完整的电气循环模拟机器，并平均磁链值。
目前，我们选择建立粗糙的单阶饱和模型，忽略了损失。虽然这不是在整个工作范围内计算机器性能或分析机器效率的准确方法，但这将很快给出对峰值性能的良好估计。
我们选择模型建立最大速度和电流，以涵盖我们将使用的全部操作范围。
确保已启用“Saturation Model”复选框，然后单击“Build Model”开始构建模型。一旦构建模型，将更新Model Status表以显示已保存模型的详细信息。
在“Model Build -> Model Options”选项上，做以下设置：
使用FEA map loss模型时，建议始终使用上述饱和模型设置。这允许使用与损耗模型相同的有限元模拟建立饱和模型，减少计算时间并确保最大的模型精度。
Message Display显示窗口中将显示一条消息：
这告诉我们，交流绕组损耗将不包括在Lab模型中，因为它们没有在电磁模型中配置。现在这还可以——稍后，在Advanced E-Magnetic Modelling部分，我们将向电磁模型添加交流绕组损耗，然后返回Lab，将其包括在Lab模型中。
请注意，模型状态表中的一些单元格现在以红色突出显示。这表示保存的模型生成与所选选项不匹配，必须重新生成模型才能执行任何计算。
确保在“Build”下启用“Saturation Model”和“Loss Model”复选框，然后单击“Build Model”。
通过基于有限元分析的模型，不仅可以计算铜、铁和磁铁的损耗，还可以定义机械损耗。这些通常由摩擦（例如轴承损失）和风阻损耗组成。
机械损耗在“Calculation”选项下定义。对于本例电机，我们有以下损耗数据：
现在我们回到“Electromagnetic”选项以计算效率图。首先，我们将通过计算峰值扭矩/速度曲线。单击Calculate Emagnetic Performance以生成峰值曲线。
(2)效率图
现在我们将计算完整的效率图，并返回Motor-CAD窗口。在“Electromagnetic”选项下，设置以下选项：
选择最小转速/电流、增量数和平滑选项优化效率map的显示效果。
单击“Calculate Emagnetic Performance”以运行计算。同样，效率图也会自动显示。可以通过从Y轴和Z轴下拉列表中选择来绘制其他值，并且可以在“Options”选项中自定义绘图的外观（例如最小/最大值、轮廓线数）。
(3)单个工作点Single Operating Point
“Operating Point”允许用户计算单个工作点的电机性能。在给定的速度下，根据所选的控制策略，将为指定的最大电流、扭矩或最大温度找到最佳工作条件。
这有助于快速找到单个工作点的最佳电流和相位超前值，然后使用电磁或热模块更密切地研究电机在这一点上的性能。设置以下条件：
由于我们选择了不启用热耦合，因此电机性能将根据“Calculation”选项中指定的固定温度进行计算。这里也可以进行紧密耦合的磁和热模拟，其中稳态热温度也被计算出来并用于更精确地模拟电机性能。
单击“Calculate Operating Point”运行计算。这只需要一点时间，结果将更新。
我们可以看到，采用MTPA（最大扭矩/电流）控制策略，在320 A电源电流下，相位提前63.3度，电机效率为97.6%，是最佳的控制点。由于我们已经将E-Magnetic Model Coupling选项设置为Operating Point -> E-Magnetic，这些运行条件将在电磁模块中自动设置。我们现在可以运行此点的完整瞬态FEA解决方案，以验证Lab模型的结果。
使用主菜单中的Model -> E-Magnetic返回到E-Magnetic。在Calculation选项中，我们可以看到从Lab operating point开始的电流、轴速度和相位角已在此处设置。
取消除扭矩计算外的所有性能测试并求解模型。
在Output Data -> E-Magnetics下，我们可以看到，从瞬态有限元分析中得到的轴扭矩和效率在Lab模型计算值差别值在1.5%以内。我们可以查看该点的其他详细结果，例如磁通图、转矩波形、谐波分析、损耗分布等。
请注意，显示的警告指示运行点接近电压极限。这是预期的，因为Lab已经计算了工作点，以最大限度地在电压限制内的性能。
Motor-CAD的热模型求解集中参数热网络，以获得电机的工作温度。有限元热模拟也可用于验证集总参数模型。
使用model->thermal切换到热计算。
以下主要选项在热计算中可用：
（1）几何
在热计算中，现在显示了一些额外的几何结构，例如外壳、安装。因为它与电磁模型无关，所以它隐藏在电磁环境中。我们现在必须配置热几何参数。
在Geometry -> Radial中做如下的设置：
注意：编辑表中的参数后，按Enter键或单击“Redraw”以更新图形。
在Geometry -> Axial中做如下的改变：
（2）绕组模型Winding Model
Winding -> Definition允许配置绕组。
Motor-CAD模型使用多面体来表示集中参数网络中绕组的热行为。根据铜、绝缘、浸渍面积以及材料的热性能，计算出每个多面体的有效热导率和热容。这使得精确计算有效线圈的热行为。提高模型的分辨率，对于导体分布不均匀或槽中损耗不均匀的电机很有用，但也会增加热模型中的计算时间。
当“Winding View”设置为“Cuboids”时，模型中使用的长方体绘制在横截面上。通过使用鼠标或在“Input Data -> Settings -> Winding”下拖动长方体轮廓，可以自定义长方体的数量及其尺寸，目前我们将使用默认的长方体定义。
（3）冷却系统定义Cooling System Definition
冷却设置在“Input Data -> Cooling”下定义，各个冷却系统的选项在单独的选项中配置。
水套是这台电机的主要冷却通道。我们已经定义了水套的几何结构，现在我们需要配置通过水套的选项和流体流动。
在Input Data -> Cooling下，外壳水套选项自动启用。这需要通过水套提供冷却。在这里，可以启用其他冷却类型，并配置电机环境的常规选项。
我们更改以下内容：
所有其他参数都保留为默认值。
外壳水套
我们现在将配置水套的设置。流量将以升/分钟为单位定义，而不是使用国际单位立方米/秒，因此首先需要使用主菜单中的Defaults -> Units更改默认单位。在“Units”对话框中，导航到“Thermal”选项卡，并将“Volume Flow Rate”设置为l/min。单击“确定”保存新单位。
在Input Data -> Housing Water Jacket -> Flow Options下，我们设置了水套的基本流量选项：
当鼠标悬停在输入控件上时，状态栏将显示参数的详细描述以及单位。我们可以将鼠标放在流体体积流量输入框上，并检查状态栏是否显示单位为l/min。
在Input Data -> Housing Water Jacket -> Fluid Flo下，我们定义了通过水套的流体性质和其他细节：
在这里，我们选择了基于数据库中的值定义流体属性。Motor-CAD有一个可以使用的默认流体数据库。用户也可以添加自定义流体，也可以从“Material Database -> Fluids”选项查看和修改数据库属性。
所用冷却液为EGW 50/50，乙二醇和水的混合物，通常用作车辆冷却液。当我们从下拉列表中选择流体时，热特性将自动从流体数据库中填充。
流体流量表显示了机壳水套的计算面积、流量和压力值以及其他热参数。在“Heat Transfer”选项下，类似的表给出了计算的传热参数。
可以使用“Geometry”选项下的横截面或三维视图来可视化水套的最终配置。
（4）界面间隙Interface Gaps
根据制造公差和所用材料的不同，部件之间的界面间隙可能会有很大差异。较大的界面间隙会增加部件之间的热阻，降低冷却效果，从而导致电机内的温度升高。因此，在热模型中配置界面间隙以尽可能接近真实情况是很重要的。
基于重要经验和实际测试，Motor-CAD中给出了各部件之间气隙的典型值。这有助于用户在不深入了解制造过程的情况下准确地建立模型。
导航到“Input Data -> Interfaces”选项。对于日产聆风来说，大部分由Motor-CAD自动估计的界面间隙都是准确的。然而，由于制造工艺的原因，定子叠片和外壳之间的间隙高于平均值，因此对于Stator Lam – Housing组件，我们选择Lamination-Metal – Good surface contact (0.01)。
（5）端部空间冷却End Space Cooling
可以在“Input Data -> End Space”下配置端部空间冷却。有几种不同的端盖冷却选项，包括通风和强迫风冷。对于这个模型，在端部空间中没有额外的冷却，所以我们将值保留为默认值。
根据经验和实际测试，自动计算端盖内部（从端部绕组、转子、端盖、外壳等）的内部对流冷却。热耗散的计算参数如表所示。
（6）高级冷却选项 Advanced Cooling Options
输入数据下的“辐射Radiation”和“自然对流Natural Convection”选项为自定义模型提供了进一步的选项。与端部空间冷却一样，这里的系数和设置是根据大量的经验和测试计算的，通常不需要修改以获得良好的结果。
（7）材料输入Materials Input
可以在“Input Data -> Materials”选项中配置材料的热性能。界面类似于电磁模型，但这里有更多的组件需要配置。电机总重量现在包括热部件（如外壳、安装等）。
（8）损耗Losses
在“Input Data -> Losses -> Loss Models”选项下指定。可以直接输入不同组件的损耗，也可以根据电磁或Lab模块自动计算出的损耗。有几种不同的损耗模型，允许损耗随速度和温度变化。在这里，运行一个耦合的解决方案，其中电磁和热模型迭代求解，以收敛损耗和温度值。
使用Model->E-Magnetic切换到电磁模块。在“Calculation”选项中，检查是否正确设置了工作条件，并确保选择了“Torque”以确保精确的损耗计算。同时，将E-Magnetics热耦合选项设置为Iterate to Converged solution。
摩擦损耗、风阻损耗可以由用户输入，也可以由Motor-CAD根据流体特性自动计算。
然后再返回到热计算的界面，在求解界面如下设置。
在计算收敛和计算步数的设置如下：
（9）计算结果的查看
现在求解模型。求解完成后，检查Output Data -> Losses下的损耗值。
使用主菜单中的Model->Thermal返回到热模型，并在Input Data -> Losses -> Loss Models下检查导入的损耗值。
计算完毕之后的数据结果，下图是稳定热状态下的轴向温度分布。
热模型是建立和求解集中参数热网的基础。“Temperatures -> Schematic -> Overview”选项显示已求解网络的示意图。
网络图如下：位于底部的是轴，左右两侧的轴承和端盖。在中心的是连接到轴的是气隙、空气隙（带有活动部件和端部绕组）、转子铁心、磁钢、定子绕组、定子铁心，机壳、水套以及周围具有自然对流和辐射的环境。网络图中使用的颜色与横截面图和三维图中使用的颜色相匹配。
下图是采用有限元的计算方法得到的数据云图。
本文简单介绍了Motor-CAD的电磁、虚拟试验室和热计算的流程，有助于软件的实际使用和案例的仿真，其他深入的操作都是以这些为基础的延伸。
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