电动汽车驱动电机设计计算机仿真课件

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1、电动汽车驱动电机的计算机仿真郑州天海新科汽车电子有限公司 张 峰 随着能源使用紧张，石油价格上涨，以及生态环境等问题的日益突出，汽车行业面临新的挑战。新能源电动汽车面临着前所未有发展机遇，既有社会的实际需求，又有国家的大力支持，在众多的电动汽车厂家中谁先掌握行业关键技术，那么将获得巨大的成功。电动汽车驱动电机，作为电动汽车的心脏，其工电动汽车驱动电机，作为电动汽车的心脏，其工作性能是评价一台电动汽车品质的重要组成部分。作性能是评价一台电动汽车品质的重要组成部分。在当前如此激烈的市场竞争环境下短周期内开发在当前如此激烈的市场竞争环境下短周期内开发性能优良的产品提升市场竞争力成为企业生死存性能优良

2、的产品提升市场竞争力成为企业生死存亡的关键。各种电机的工作状态和性能均由电磁亡的关键。各种电机的工作状态和性能均由电磁场来决定。所以电磁场数值分析和计算机仿真场来决定。所以电磁场数值分析和计算机仿真 模拟可为产品的设计和优化提供最可靠的依据，模拟可为产品的设计和优化提供最可靠的依据，节省开发成本，许多花费巨大的模拟试验得以用节省开发成本，许多花费巨大的模拟试验得以用电磁场数值计算方法代替。以至于使用计算机进电磁场数值计算方法代替。以至于使用计算机进行电机仿真成为快速开发新产品，进行电机设计行电机仿真成为快速开发新产品，进行电机设计的重要手段。的重要手段。建立在电磁计算基础上的建立在电磁计算基础

3、上的AnsoftAnsoft软件，为设计工程师们软件，为设计工程师们提供了精确、快速、高效的设计平台。在现代通讯系统、提供了精确、快速、高效的设计平台。在现代通讯系统、雷达、计算机、天线、高速雷达、计算机、天线、高速PCBPCB、集成电路、封装、连接、集成电路、封装、连接器、光电网络、电机、开关电源、机电系统、汽车传动系器、光电网络、电机、开关电源、机电系统、汽车传动系统设计和复杂统设计和复杂EMI/EMCEMI/EMC仿真中，仿真中，AnsoftAnsoft领先的基于物理原领先的基于物理原型的解决方案能够快速精确地仿真和验证设计方案，电磁型的解决方案能够快速精确地仿真和验证设计方案，电磁场、

4、电路和系统全集成化的设计环境能够在系统设计时精场、电路和系统全集成化的设计环境能够在系统设计时精确考虑细节的电磁场效应，从而确保系统性能，降低设计确考虑细节的电磁场效应，从而确保系统性能，降低设计风险，推进创新，洞察设计内核，获得长期竞争优势。风险，推进创新，洞察设计内核，获得长期竞争优势。现现在，我们将以永磁同步电机为例，简单的对该软件的应用在，我们将以永磁同步电机为例，简单的对该软件的应用进行介绍。进行介绍。永磁同步电动机的特点 永磁同步电动机具有一些其它结构电机所没有的特点。主要有：永磁同步电动机具有一些其它结构电机所没有的特点。主要有：转矩纹波小，转速平稳，动态响应快速准确，过载能力强

5、。转矩纹波小，转速平稳，动态响应快速准确，过载能力强。永磁同步电动机的最大转矩可以达到额定转矩的永磁同步电动机的最大转矩可以达到额定转矩的 3 3 倍以上。对电倍以上。对电 机系统在负载转矩变化较大的工况下稳定运行非常有利。机系统在负载转矩变化较大的工况下稳定运行非常有利。高功率因数、高效率。高功率因数、高效率。它的效率比同规格的异步电动机可以提高它的效率比同规格的异步电动机可以提高 2 28 8 个百分点。与电励磁同步电个百分点。与电励磁同步电 动机相比，永磁同步电动机省去了励磁功率，提高了效率。而且，永磁同步动机相比，永磁同步电动机省去了励磁功率，提高了效率。而且，永磁同步 电动机在电动机

6、在 25%25%120%120%额定负载范围内均可以保持较高的功率因数和效率，使额定负载范围内均可以保持较高的功率因数和效率，使轻载运行时节能效果更为显著，在长期的使用中可以大幅度地节省电能。轻载运行时节能效果更为显著，在长期的使用中可以大幅度地节省电能。体积小、重量轻。体积小、重量轻。结构多样化，应用范围广。结构多样化，应用范围广。永磁同步电动机由于转子结构极其多样，产生了特点和性能各异的许许多的永磁同步电动机由于转子结构极其多样，产生了特点和性能各异的许许多的品种。品种。可靠性高可靠性高 与直流电动机和电励磁同步电动机相比，它没有电刷，简化了结构。增加了与直流电动机和电励磁同步电动机相比，

7、它没有电刷，简化了结构。增加了可靠性。可靠性。鉴于永磁同步电机的这些优点，使其成为电动汽车驱动电机的最佳选择，况且，我国有着丰富稀土资源的得天独厚的优势，更使稀土永磁电机成为电动汽车驱动电机研究的主要方向。Maxwell 软件包是 Ansoft 公司针对机电系统电磁计算开发的有限元软件包，包含 2D 和 3D 求解器。Maxwell 2D 是一种功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件，它所包含的自上而下执行的用户界面、领先的自适应网格剖分技术、用户定义材料库等特点，使得 Maxwell 2D 在易用性上遥遥领先。其包含静磁场、涡流场、静电场、恒定电场、交变电场和瞬态场等数种求解

8、器。具有高性能矩阵求解器和多 CPU 处理能力，提供了最快的求解速度Maxwell进行电机设计的一般步骤进行电机设计的一般步骤Rmxpt Rmxpt 软件包软件包是针对电机的是针对电机的磁路设计开发磁路设计开发的软件包，其的软件包，其中包含了三相中包含了三相感应电机，单感应电机，单相感应电机，相感应电机，三相同步电机、三相同步电机、无刷永磁直流无刷永磁直流电机、可调速电机、可调速同步电机、永同步电机、永磁电机、开关磁电机、开关磁阻电机、异磁阻电机、异步起动永磁同步起动永磁同步电机、串激步电机、串激电机、直流电电机、直流电机和爪极电机机和爪极电机等类型的磁路等类型的磁路设计。设计。输入定子基输入

9、定子基本参数本参数选择定选择定子槽型子槽型输入绕组参数输入绕组参数并选择绕组类并选择绕组类型型查看绕组绕线查看绕组绕线形式形式通过查看定子绕组形式，用户可以非常直观的观察定子绕线的形式，查看绕线的接法，判断绕组形式是否与工程机的设计思路相一致，也使得后续工人下线的时候，更简单明了的分析下线程序，提高工作效率。设置转子参数，并设置转子参数，并选择磁铁放置形式选择磁铁放置形式系统自带了八种常见的形式系统自带了八种常见的形式可供选择可供选择用户也可以根据自己的需要进行自主设计用户也可以根据自己的需要进行自主设计用户也可以根据自己的需要进行自主设计用户也可以根据自己的需要进行自主设计设置电机的基本设置

10、电机的基本参数参数三相永磁同步电机的模型的仿真结果三相永磁同步电机的模型的仿真结果 从计算单中我们可以查看电机的一些主要性能查看性能曲线查看性能曲线效率和力矩角的效率和力矩角的曲线曲线空载时的气隙磁密空载时的气隙磁密空载时的气隙磁密空载时的气隙磁密电机空载状态下绕组的感应电动势电机空载状态下绕组的感应电动势 在电机设计初期，电机的几何尺寸，绕组匝数，线规等参数无法准确给出，总是需要经过反复计算，多方案对比后方可得到主要尺寸，这在电机设计中对应于电机的参数分析和优化设计。RMxprt除了具备最基本的校核功能能够外，还具备相当强大的参数分析和优化设计功能。在定转子冲片材料和尺寸不变的情况下仅改变铁

11、心长度，来观察对电机性能参数的影响。设定铁芯长度变化范围及步设定铁芯长度变化范围及步长长设定需要观察的参数设定需要观察的参数查看各项参数随铁心长度变化的影响查看各项参数随铁心长度变化的影响输入功率随铁心长度变化的规律输出功率随铁心长度变化的规律输出功率随铁心长度变化的规律输出功率随铁心长度变化的规律输出功率随铁心长度变化的规律功率因数随铁芯变化的规律功率因数随铁芯变化的规律功率因数随铁芯变化的规律功率因数随铁芯变化的规律多条曲线在同一坐标系内显示，可以综合观多条曲线在同一坐标系内显示，可以综合观多条曲线在同一坐标系内显示，可以综合观多条曲线在同一坐标系内显示，可以综合观察各项参数察各项参数察各

12、项参数察各项参数2D模型的有限元分析模型的有限元分析 一般步骤1.创建2D模型2.制定电机所用材料的属性3.指定边界条件4.设定激励源5.对各部分进行剖分6.求解，后处理7.稳态磁场分析8.暂态磁场分析创建创建2D模型模型 2D模型的创建有多种方法，用户可以根据RMxprt的电机模型有系统自己创建，也可以使用2D模块自带的绘图工具直接进行绘制，也可以使用或等绘图工具画好电机模型，然后倒入到中来。我们用系统自带的udp来建一个电机模型创建电机定子创建电机定子输入定子参数，转子参数输入定子参数，转子参数定定子子模模型型转转子子模模型型输入磁铁和定子绕组的参数，我们可以得到下图，电机的2d模型为电机

13、的各部分指定材料为电机的各部分指定材料为电机的各部分指定材料为电机的各部分指定材料Maxwell自带的材料库设定永磁体的充磁方向设定永磁体的充磁方向对于电机模型，边界一般选择矢量场对于电机模型，边界一般选择矢量场对于电机模型，边界一般选择矢量场对于电机模型，边界一般选择矢量场给磁路计算指定边界给磁路计算指定边界依次为依次为A，B，C三相指定电压源激励三相指定电压源激励做完前面的步骤就可以开始系统自检，如果自检做完前面的步骤就可以开始系统自检，如果自检没有发现错误，就可以进行计算了，没有发现错误，就可以进行计算了，系统进行计算程序系统进行计算程序对电机的各部分进行剖分，剖分效果如上图对电机的各部

14、分进行剖分，剖分效果如上图查看力矩曲线查看力矩曲线查看力矩曲线查看力矩曲线磁力线分布曲线效果图磁力线分布曲线效果图磁力线分布曲线效果图磁力线分布曲线效果图磁场强度分布图磁场强度分布图磁场强度分布图磁场强度分布图运动状态下，磁力线的变化图运动状态下，磁力线的变化图A相的电流相的电流三相感应电动势随时间的变化曲线三相感应电动势随时间的变化曲线三相感应电动势随时间的变化曲线三相感应电动势随时间的变化曲线为了更进一步为了更进一步的直观的了解的直观的了解电机的各项结电机的各项结构和性能，我构和性能，我们可以更近一们可以更近一步的把步的把2D2D的模的模型转换成型转换成3D3D的的定子绕线模型定子绕线模型定定子子铁铁心心模模型型3 D模型下的电机磁场密度图