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電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算機(jī)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(jià)格上漲，以及生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題的日益突出，汽車行業(yè)面臨新的挑戰(zhàn)。新能源電動(dòng)汽車面臨著前所未有發(fā)展機(jī)遇，既有社會(huì)的實(shí)際需求，又有國(guó)家的大力支持，在眾多的電動(dòng)汽車廠家中誰(shuí)先掌握行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，那么將獲得巨大的成功。,電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，作為電動(dòng)汽車的心臟，其工作性能是評(píng)價(jià)一臺(tái)電動(dòng)汽車品質(zhì)的重要組成部分。在當(dāng)前如此激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)來(lái)決定。所以電磁場(chǎng)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(chǎng)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。,建立在電磁計(jì)算基礎(chǔ)上的Ansoft軟件，為設(shè)計(jì)工程師們提供了精確、快速、高效的設(shè)計(jì)平臺(tái)。在現(xiàn)代通訊系統(tǒng)、雷達(dá)、計(jì)算機(jī)、天線、高速PCB、集成電路、封裝、連接器、光電網(wǎng)絡(luò)、電機(jī)、開關(guān)電源、機(jī)電系統(tǒng)、汽車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yàn)證設(shè)計(jì)方案，電磁場(chǎng)、電路和系統(tǒng)全集成化的設(shè)計(jì)環(huán)境能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)精確考慮細(xì)節(jié)的電磁場(chǎng)效應(yīng)，從而確保系統(tǒng)性能，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，推進(jìn)創(chuàng)新，洞察設(shè)計(jì)內(nèi)核，獲得長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在，我們將以永磁同步電機(jī)為例，簡(jiǎn)單的對(duì)該軟件的應(yīng)用進(jìn)行介紹。,永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)永磁同步電動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快速準(zhǔn)確，過(guò)載能力強(qiáng)。永磁同步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的3倍以上。對(duì)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(dòng)機(jī)可以提高2～8個(gè)百分點(diǎn)。與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)省去了勵(lì)磁功率，提高了效率。而且，永磁同步電動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比，它沒有電刷，簡(jiǎn)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(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最佳選擇，況且，我國(guó)有著豐富稀土資源的得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，更使稀土永磁電機(jī)成為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)研究的主要方向。,Maxwell軟件包是Ansoft公司針對(duì)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(chǎng)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(kù)等特點(diǎn)，使得Maxwell2D在易用性上遙遙領(lǐng)先。其包含靜磁場(chǎng)、渦流場(chǎng)、靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)、交變電場(chǎng)和瞬態(tài)場(chǎng)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(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)的一般步驟,Rmxpt軟件包是針對(duì)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(wú)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(dòng)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),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(guò)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(jiǎn)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(jìn)行自主設(shè)計(jì),設(shè)置電機(jī)的基本參數(shù),,三相永磁同步電機(jī)的模型的仿真結(jié)果,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,,電機(jī)空載狀態(tài)下繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),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(wú)法準(zhǔn)確給出，總是需要經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算，多方案對(duì)比后方可得到主要尺寸，這在電機(jī)設(shè)計(jì)中對(duì)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(zhǎng)度，來(lái)觀察對(duì)電機(jī)性能參數(shù)的影響。,設(shè)定鐵芯長(zhǎng)度變化范圍及步長(zhǎng),設(shè)定需要觀察的參數(shù),查看各項(xiàng)參數(shù)隨鐵心長(zhǎng)度變化的影響,輸入功率隨鐵心長(zhǎng)度變化的規(guī)律,輸出功率隨鐵心長(zhǎng)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(duì)各部分進(jìn)行剖分求解，后處理穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)分析暫態(tài)磁場(chǎng)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(lái)。,我們用系統(tǒng)自帶的udp來(lái)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(kù),設(shè)定永磁體的充磁方向,對(duì)于電機(jī)模型，邊界一般選擇矢量場(chǎng),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,對(duì)電機(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(chǎng)強(qiáng)度分布圖,,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，磁力線的變化圖,A相的電流,三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化曲線,為了更進(jìn)一步的直觀的了解電機(jī)的各項(xiàng)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(jī)磁場(chǎng)密度圖,