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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(guān)鍵技術(shù)，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(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(shè)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(shè)計的重要手段。,建立在電磁計算基礎(chǔ)上的Ansoft軟件，為設(shè)計工程師們提供了精確、快速、高效的設(shè)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(luò)、電機、開關(guān)電源、機電系統(tǒng)、汽車傳動系統(tǒng)設(shè)計和復(fù)雜EMI/EMC仿真中，Ansoft領(lǐng)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(shè)計方案，電磁場、電路和系統(tǒng)全集成化的設(shè)計環(huán)境能夠在系統(tǒng)設(shè)計時精確考慮細節(jié)的電磁場效應(yīng)，從而確保系統(tǒng)性能，降低設(shè)計風(fēng)險，推進創(chuàng)新，洞察設(shè)計內(nèi)核，獲得長期競爭優(yōu)勢。現(xiàn)在，我們將以永磁同步電機為例，簡單的對該軟件的應(yīng)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(jié)構(gòu)電機所沒有的特點。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。②高功率因數(shù)、高效率。它的效率比同規(guī)格的異步電動機可以提高2～8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。③體積小、重量輕。④結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。永磁同步電動機由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)極其多樣，產(chǎn)生了特點和性能各異的許許多的品種。⑤可靠性高與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(jié)構(gòu)。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(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，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,Maxwell進行電機設(shè)計的一般步驟,Rmxpt軟件包是針對電機的磁路設(shè)計開發(fā)的軟件包，其中包含了三相感應(yīng)電機，單相感應(yīng)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(guān)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計,設(shè)置電機的基本參數(shù),,三相永磁同步電機的模型的仿真結(jié)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(yīng)電動勢,在電機設(shè)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(fù)計算，多方案對比后方可得到主要尺寸，這在電機設(shè)計中對應(yīng)于電機的參數(shù)分析和優(yōu)化設(shè)計。RMxprt除了具備最基本的校核功能能夠外，還具備相當(dāng)強大的參數(shù)分析和優(yōu)化設(shè)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(shè)定鐵芯長度變化范圍及步長,設(shè)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(biāo)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(shè)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ａｏｔｕｃａｄ或ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ等繪圖工具畫好電機模型，然后倒入到ｍａｘｗｅｌｌ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(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)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,