電動汽車驅(qū)動電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)仿真課件

電動汽車驅(qū)動電機(jī)

的計(jì)算機(jī)仿真張峰

隨著能源使用緊張，石油價(jià)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(jī)遇，既有社會的實(shí)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(guān)鍵技術(shù)，那么將獲得巨大的成功。

電動汽車驅(qū)動電機(jī)，作為電動汽車的心臟，其工作性能是評價(jià)一臺電動汽車品質(zhì)的重要組成部分。在當(dāng)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(guān)鍵。各種電機(jī)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(jì)算機(jī)仿真模擬可為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(fèi)巨大的模擬試驗(yàn)得以用電磁場數(shù)值計(jì)算方法代替。以至于使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行電機(jī)仿真成為快速開發(fā)新產(chǎn)品，進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)的重要手段。永磁同步電動機(jī)的特點(diǎn)永磁同步電動機(jī)具有一些其它結(jié)構(gòu)電機(jī)所沒有的特點(diǎn)。主要有：①轉(zhuǎn)矩紋波小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，動態(tài)響應(yīng)快速準(zhǔn)確，過載能力強(qiáng)。永磁同步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的3倍以上。對電機(jī)系統(tǒng)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下穩(wěn)定運(yùn)行非常有利。②高功率因數(shù)、高效率。它的效率比同規(guī)格的異步電動機(jī)可以提高2～8個(gè)百分點(diǎn)。與電勵(lì)磁同步電動機(jī)相比，永磁同步電動機(jī)省去了勵(lì)磁功率，提高了效率。而且，永磁同步電動機(jī)在25%～120%額定負(fù)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(yùn)行時(shí)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。③體積小、重量輕。

④結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。永磁同步電動機(jī)由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)極其多樣，產(chǎn)生了特點(diǎn)和性能各異的許許多的品種。⑤可靠性高與直流電動機(jī)和電勵(lì)磁同步電動機(jī)相比，它沒有電刷，簡化了結(jié)構(gòu)。增加了可靠性。

鑒于永磁同步電機(jī)的這些優(yōu)點(diǎn)，使其成為電動汽車驅(qū)動電機(jī)的最佳選擇，況且，我國有著豐富稀土資源的得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，更使稀土永磁電機(jī)成為電動汽車驅(qū)動電機(jī)研究的主要方向。

Maxwell軟件包是Ansoft公司針對機(jī)電系統(tǒng)電磁計(jì)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(qiáng)大、結(jié)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(lǐng)先的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)、用戶定義材料庫等特點(diǎn)，使得Maxwell2D在易用性上遙遙領(lǐng)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Rmxpt軟件包是針對電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)開發(fā)的軟件包，其中包含了三相感應(yīng)電機(jī)，單相感應(yīng)電機(jī)，三相同步電機(jī)、無刷永磁直流電機(jī)、可調(diào)速同步電機(jī)、永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、異步起動永磁同步電機(jī)、串激電機(jī)、直流電機(jī)和爪極電機(jī)等類型的磁路設(shè)計(jì)。輸入定子基本參數(shù)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(jī)的設(shè)計(jì)思路相一致，也使得后續(xù)工人下線的時(shí)候，更簡單明了的分析下線程序，提高工作效率。設(shè)置轉(zhuǎn)子參數(shù)，并選擇磁鐵放置形式用戶也可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行自主設(shè)計(jì)設(shè)置電機(jī)的基本參數(shù)從計(jì)算單中我們可以查看電機(jī)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(shí)的氣隙磁密

在電機(jī)設(shè)計(jì)初期，電機(jī)的幾何尺寸，繞組匝數(shù)，線規(guī)等參數(shù)無法準(zhǔn)確給出，總是需要經(jīng)過反復(fù)計(jì)算，多方案對比后方可得到主要尺寸，這在電機(jī)設(shè)計(jì)中對應(yīng)于電機(jī)的參數(shù)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。RMxprt除了具備最基本的校核功能能夠外，還具備相當(dāng)強(qiáng)大的參數(shù)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)性能參數(shù)的影響。設(shè)定鐵芯長度變化范圍及步長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(biāo)系內(nèi)顯示，可以綜合觀察各項(xiàng)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(jī)所用材料的屬性指定邊界條件設(shè)定激勵(lì)源對各部分進(jìn)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(jī)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(jìn)行繪制，也可以使用ａｏｔｕｃａｄ或ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ等繪圖工具畫好電機(jī)模型，然后倒入到ｍａｘｗｅｌｌ中來。我們用系統(tǒng)自帶的udp來建一個(gè)電機(jī)模型創(chuàng)建電機(jī)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(jī)的2d模型為電機(jī)的各部分指定材料Maxwell自帶的材料庫設(shè)定永磁體的充磁方向?qū)τ陔姍C(jī)模型，邊界一般選擇矢量場給磁路計(jì)算指定邊界依次為A，B，C三相指定電壓源激勵(lì)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(cuò)誤，就可以進(jìn)行計(jì)算了，系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算程序?qū)﹄姍C(jī)的各部分進(jìn)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(qiáng)度分布圖