基于JMAG的電動汽車PMSM電機性能仿真分析

1、2013年IDAJ-China中國用戶論文集JMAG基于JMAG的電動汽車PMSM電機性能仿真分析Simulat ion and evaluation of P1Sforr SMVehicle Based onmG陳毅 (上海捷能汽車技術有限公司，上海市200072)摘要：本文利用有限元工具JMAG進行車用永磁電機的性能仿真設計分析，分析電機的空 載反電勢、齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動及鐵耗等基本電磁性能。利用JMAG的耦合仿真功能，分析 了PMSM的電磁噪音。關鍵詞：電動汽車：永磁電機；電磁噪聲；JMAGAbstract：In thi s papera permanent magnet motor f

2、or the electric vehicle was ailalyzedThe fundamental characteristiC parameterS of the motor(such as emf， cogging torque，torque ripple and COre 10S S)The electromagnetiC noi Se i s analyzed USing the coupled Simulation function in JMAGKeywords：E1ectric Vehicle；Permanent Magnet Motor；Electromagnetic N

3、oi se；JMAG0引言：電動汽車采用電動機為牽引裝置，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛相比，具有許多優(yōu)點，例如零排放、 高效率、與石油無關等。電動汽車驅(qū)動電機是電動汽車的關鍵技術之一，永磁同步電機(PMSM) 是驅(qū)動電機的主要類型之一，有著廣泛的應用。與普通的工業(yè)用電機相比，電動汽車電機的 大轉(zhuǎn)矩、寬調(diào)速和輕量化的要求苛刻，使得電機必須在結(jié)構、電磁、力學、熱能管理、電力 電子、控制策略等多領域進行綜合優(yōu)化與平衡。因此，傳統(tǒng)的解析算法已經(jīng)不能滿足具有非 線性特征的PMSM電機性能準確評估的需要。JMAG軟件是由JSOL公司研發(fā)的一款電磁場仿真軟件，提供了電磁場分析、熱場分 析、結(jié)構場分析以及多物理場耦合分析

4、，并且可以與控制軟件類軟件進行聯(lián)合仿真分析，為 滿足高密度永磁同步電機性能評估提供了豐富的仿真策略。1基本電磁性能評估電動汽車用PMSM的基本電磁性能包括空載反電勢、齒槽轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩、損耗、磁 密分布等，是評價PMSM電機優(yōu)劣的基本指標。本文采用一臺48s8p的永磁同步電機，利 用JMAGDesigner進行2D有限元分析。本次設計采用48槽8極的極槽配合，由于采用開口槽設計，因此其空載線反電勢有4502013年IDAJ-China中國用戶論文集較大的齒諧波，其齒諧波的次數(shù)為屹=2打破±1，j=l'23 ，其中1 1、13次齒諧波占主要部 分?？蛰d反電勢波形及其諧波分析如下

5、圖l，各次諧波分量見表lVolrage DiffereneoVoltage Differeaee_fftj。皿一1。 ：露 j泰、I前_-，。l，、嚴“II：、澎11111”j一 F強l ii 5一2 ?！?，盞：，一l”“II-“oa)空載線反電勢(b)反電勢傅里葉分解 圖1空載線反電勢及諧波傅里葉分解表1傅里葉分解各次諧波大小局【V】毛【V】島v】局1V吲局3【V】E23【V】E25【V】58463075l 8933641109109182744716829齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁體不通電時永磁體和鐵心之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是由于永磁體與 電樞齒相互作用力的切向分量的波動引起的。齒槽轉(zhuǎn)矩導致轉(zhuǎn)矩波動

6、，影響系統(tǒng)的控制精度， 同時產(chǎn)生振動和噪聲。一個電周期內(nèi)，齒槽轉(zhuǎn)矩諧波次數(shù)唯=kLCM(Z,糾p,k=12,3 ，(z 為槽數(shù)，p為極對數(shù))。利用JMAG-Designer在定子不通電時得到齒槽轉(zhuǎn)矩波形和諧波分析 如圖2，各階諧波分量見表2TorqueTorque ffti：f1iflI以缸J J一一J墨oi8Ij6§曠rlrdi孔s；fi卜=V、童?1 0， 一j“n 2J L JJ L 1 LL LJJ0 0002000M0 00060 0008 0111a)齒槽轉(zhuǎn)矩(b)齒槽轉(zhuǎn)矩諧波傅里葉分解圖2齒槽轉(zhuǎn)矩及諧波傅里葉分解表2齒槽轉(zhuǎn)矩各階諧波幅值諧波階數(shù)VIV2V3V41吩瓦og

7、-h硼onic(Nm)091211066O1301采用轉(zhuǎn)矩脈動率劂=絲竿竺竺100來評價永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動的大小，繃avg在JMAGDesigner設置電流源，定子三相通入交流電，可以精確計算出電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈4512013年IDAJ-China中國用戶論文集動，如圖3所示，在定子電流幅值200A，電流角32度時，TRF=2061151107鋤_a。g_1021Nm至7k。=115Nmf。in=9397 NmTm max-min=2103Nm1rI強=206oo面|=，ad04|：-|j缸。圖3轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩脈動 JMAG計算鐵耗可將轉(zhuǎn)子鐵耗和定子鐵耗分開，磁滯損耗和渦流損耗分開，有利于損耗的分

8、析。定子鐵耗諧波頻率有石，3，5研，7石，9ji(2n1)次，轉(zhuǎn)子鐵耗諧波頻率與齒諧波 頻率對應為研比M(z2p)pM，k=l，2,3 。樣機在空載10000rpm時的定、轉(zhuǎn)子鐵耗如表3所 示。j轉(zhuǎn)子鐵耗齒諧波在轉(zhuǎn)定子鐵耗j_。j子上造成的：損耗j。_歹o一j|¨0jIhj：I一一。 Ilo 20Harn'rnlc，Stop圖4空載10000rpm時的定、轉(zhuǎn)子鐵耗JMAG-Designerl2的新功能可以觀察到諧波分量的磁場分布云圖，如圖5所示，分別 提取了定子的5次磁密諧波云圖和轉(zhuǎn)子的12次磁密諧波云圖?？梢钥吹?，轉(zhuǎn)子上的12次磁 密諧波主要集中的轉(zhuǎn)子外圓表面。薰婺鬻囊鬻鬻

9、鬻ii鬻鬻鬻蘩鬻鬻萋攀鬻嚆懋綴!譽辮鐾攀；攀i憋爹鬻g黧醚簍5次磁密諧波云圖12次磁密諧波云圖 圖5諧波磁密云圖4522013年IOAJ-China中國用戶論文集2電磁噪聲分析定子鐵芯內(nèi)表面的電磁力是產(chǎn)生電磁噪聲的主要來源。定子鐵芯的定子鐵芯變形量與電 機徑向電磁力波次數(shù)成反比，與力波幅值成正比，因此幅值較大的低階徑向電磁力波是引起 電磁振動噪聲的主要根源。目前電磁噪聲分析是困擾工程師們的難題之一，JMAG的多物理 域耦合功能為電磁噪聲的計算提供了便捷的途徑，如圖6所示，將JMAG軟件將電磁場計 算所得到的電磁力結(jié)點數(shù)據(jù)導入到結(jié)構場中，經(jīng)過網(wǎng)格之間的插值映射，進行電磁場與結(jié)構 場的耦合計算，求

10、解出電磁振動和噪聲的頻響結(jié)果。徑向電磁力是定子振動的主要振源，它不僅是個空間函數(shù)，同時也是時間的函數(shù)。JMAG-Designer計算電磁力時，可以同時得到徑向電磁力的時間與空間波形，如圖7所示。 經(jīng)過耦合分析，得到4000負載時電機半徑lm的球面內(nèi)，最大噪音為79dB，如圖8。2D電磁場計算電磁力哈自3D結(jié)構場計算模態(tài)3D結(jié)構場計算振動與噪聲圖6JMAG結(jié)構場與電磁場耦合計算電磁振動噪聲示意圖。啪 獅 啪枷 辱|一z一苧oL一日一可日芷 瑚 瑚180Tree s(a)空間波形0)空間一點的電磁力時間波形 圖7徑向電磁力時、空波形圖8 4000rmil負載的電磁噪聲聲場分布云圖4532013：年IDAJ-China中國用戶論文集。眥AG一：3結(jié)論永磁同步電機的性能分析不僅涉及到非線性的問題，同時涉及到多層面、多領域的分析。 本文借助JMAG軟件分析了車用永磁同步電機的基本電磁性能和電磁噪聲，證明JMA