電動汽車驅(qū)動電機設計計算機仿真.ppt

電動汽車驅(qū)動電機的計算機仿真,鄭州天海新科汽車電子有限公司張峰,隨著能源使用緊張，石油價格上漲，以及生態(tài)環(huán)境等問題的日益突出，汽車行業(yè)面臨新的挑戰(zhàn)。新能源電動汽車面臨著前所未有發(fā)展機遇，既有社會的實際需求，又有國家的大力支持，在眾多的電動汽車廠家中誰先掌握行業(yè)關鍵技術，那么將獲得巨大的成功。,電動汽車驅(qū)動電機，作為電動汽車的心臟，其工作性能是評價一臺電動汽車品質(zhì)的重要組成部分。在當前如此激烈的市場競爭環(huán)境下短周期內(nèi)開發(fā)性能優(yōu)良的產(chǎn)品提升市場競爭力成為企業(yè)生死存亡的關鍵。各種電機的工作狀態(tài)和性能均由電磁場來決定。所以電磁場數(shù)值分析和計算機仿真模擬可為產(chǎn)品的設計和優(yōu)化提供最可靠的依據(jù)，節(jié)省開發(fā)成本，許多花費巨大的模擬試驗得以用電磁場數(shù)值計算方法代替。以至于使用計算機進行電機仿真成為快速開發(fā)新產(chǎn)品，進行電機設計的重要手段。,建立在電磁計算基礎上的Ansoft軟件，為設計工程師們提供了精確、快速、高效的設計平臺。在現(xiàn)代通訊系統(tǒng)、雷達、計算機、天線、高速PCB、集成電路、封裝、連接器、光電網(wǎng)絡、電機、開關電源、機電系統(tǒng)、汽車傳動系統(tǒng)設計和復雜EMI/EMC仿真中，Ansoft領先的基于物理原型的解決方案能夠快速精確地仿真和驗證設計方案，電磁場、電路和系統(tǒng)全集成化的設計環(huán)境能夠在系統(tǒng)設計時精確考慮細節(jié)的電磁場效應，從而確保系統(tǒng)性能，降低設計風險，推進創(chuàng)新，洞察設計內(nèi)核，獲得長期競爭優(yōu)勢?，F(xiàn)在，我們將以永磁同步電機為例，簡單的對該軟件的應用進行介紹。,永磁同步電動機的特點永磁同步電動機具有一些其它結構電機所沒有的特點。主要有：轉(zhuǎn)矩紋波小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，動態(tài)響應快速準確，過載能力強。永磁同步電動機的最大轉(zhuǎn)矩可以達到額定轉(zhuǎn)矩的3倍以上。對電機系統(tǒng)在負載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下穩(wěn)定運行非常有利。高功率因數(shù)、高效率。它的效率比同規(guī)格的異步電動機可以提高28個百分點。與電勵磁同步電動機相比，永磁同步電動機省去了勵磁功率，提高了效率。而且，永磁同步電動機在25%120%額定負載范圍內(nèi)均可以保持較高的功率因數(shù)和效率，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著，在長期的使用中可以大幅度地節(jié)省電能。體積小、重量輕。結構多樣化，應用范圍廣。永磁同步電動機由于轉(zhuǎn)子結構極其多樣，產(chǎn)生了特點和性能各異的許許多的品種?？煽啃愿吲c直流電動機和電勵磁同步電動機相比，它沒有電刷，簡化了結構。增加了可靠性。,鑒于永磁同步電機的這些優(yōu)點，使其成為電動汽車驅(qū)動電機的最佳選擇，況且，我國有著豐富稀土資源的得天獨厚的優(yōu)勢，更使稀土永磁電機成為電動汽車驅(qū)動電機研究的主要方向。,Maxwell軟件包是Ansoft公司針對機電系統(tǒng)電磁計算開發(fā)的有限元軟件包，包含2D和3D求解器。Maxwell2D是一種功能強大、結果精確、易于使用的二維電磁場有限元分析軟件，它所包含的自上而下執(zhí)行的用戶界面、領先的自適應網(wǎng)格剖分技術、用戶定義材料庫等特點，使得Maxwell2D在易用性上遙遙領先。其包含靜磁場、渦流場、靜電場、恒定電場、交變電場和瞬態(tài)場等數(shù)種求解器。具有高性能矩陣求解器和多CPU處理能力，提供了最快的求解速度,Maxwell進行電機設計的一般步驟,Rmxpt軟件包是針對電機的磁路設計開發(fā)的軟件包，其中包含了三相感應電機，單相感應電機，三相同步電機、無刷永磁直流電機、可調(diào)速同步電機、永磁電機、開關磁阻電機、異步起動永磁同步電機、串激電機、直流電機和爪極電機等類型的磁路設計。,輸入定子基本參數(shù),選擇定子槽型,輸入繞組參數(shù)并選擇繞組類型,查看繞組繞線形式,通過查看定子繞組形式，用戶可以非常直觀的觀察定子繞線的形式，查看繞線的接法，判斷繞組形式是否與工程機的設計思路相一致，也使得后續(xù)工人下線的時候，更簡單明了的分析下線程序，提高工作效率。,設置轉(zhuǎn)子參數(shù)，并選擇磁鐵放置形式,系統(tǒng)自帶了八種常見的形式可供選擇,用戶也可以根據(jù)自己的需要進行自主設計,設置電機的基本參數(shù),三相永磁同步電機的模型的仿真結果,從計算單中我們可以查看電機的一些主要性能,查看性能曲線,效率和力矩角的曲線,空載時的氣隙磁密,電機空載狀態(tài)下繞組的感應電動勢,在電機設計初期，電機的幾何尺寸，繞組匝數(shù)，線規(guī)等參數(shù)無法準確給出，總是需要經(jīng)過反復計算，多方案對比后方可得到主要尺寸，這在電機設計中對應于電機的參數(shù)分析和優(yōu)化設計。RMxprt除了具備最基本的校核功能能夠外，還具備相當強大的參數(shù)分析和優(yōu)化設計功能。在定轉(zhuǎn)子沖片材料和尺寸不變的情況下僅改變鐵心長度，來觀察對電機性能參數(shù)的影響。,設定鐵芯長度變化范圍及步長,設定需要觀察的參數(shù),查看各項參數(shù)隨鐵心長度變化的影響,輸入功率隨鐵心長度變化的規(guī)律,輸出功率隨鐵心長度變化的規(guī)律,功率因數(shù)隨鐵芯變化的規(guī)律,多條曲線在同一坐標系內(nèi)顯示，可以綜合觀察各項參數(shù),2D模型的有限元分析,一般步驟,創(chuàng)建2D模型制定電機所用材料的屬性指定邊界條件設定激勵源對各部分進行剖分求解，后處理穩(wěn)態(tài)磁場分析暫態(tài)磁場分析,創(chuàng)建2D模型,2D模型的創(chuàng)建有多種方法，用戶可以根據(jù)RMxprt的電機模型有系統(tǒng)自己創(chuàng)建，也可以使用2D模塊自帶的繪圖工具直接進行繪制，也可以使用或等繪圖工具畫好電機模型，然后倒入到中來。,我們用系統(tǒng)自帶的udp來建一個電機模型,創(chuàng)建電機定子,輸入定子參數(shù)，轉(zhuǎn)子參數(shù),定子模型,轉(zhuǎn)子模型,輸入磁鐵和定子繞組的參數(shù)，我們可以得到下圖，電機的2d模型,為電機的各部分指定材料,Maxwell自帶的材料庫,設定永磁體的充磁方向,對于電機模型，邊界一般選擇矢量場,給磁路計算指定邊界,依次為A，B，C三相指定電壓源激勵,做完前面的步驟就可以開始系統(tǒng)自檢，如果自檢沒有發(fā)現(xiàn)錯誤，就可以進行計算了，,系統(tǒng)進行計算程序,對電機的各部分進行剖分，剖分效果如上圖,查看力矩曲線,磁力線分布曲線效果圖,磁場強度分布圖,運動狀態(tài)下，磁力線的變化圖,A相的電流,三相感應電動勢隨時間的變化曲線,為了更進一步的直觀的了解電機的各項結構和性能，我們可以更近一步的把2D的模型轉(zhuǎn)換成3D的,定子繞線模型,定子鐵心模型,3D模型下的電機磁場密度圖,