汽車電機及驅動技術 課件 第9章 汽車電機仿真與實驗

汽車電機仿真與實驗第9章9.1模型的建立9.1.1模型的結構建立本章中模型的建立與仿真是基于ANSYS中的電磁部分Maxwell完成的，該軟件具有上手快、計算精準、計算速度快等優(yōu)點。其中基于磁路解析法計算的RMxprt模塊可以在我們輸入?yún)?shù)之后自動生成模型，非常方便。Ansoft的求解器分為穩(wěn)態(tài)求解器和瞬態(tài)求解器，在穩(wěn)態(tài)場求解器中可以看出電動機的磁力線分布圖、磁通密度分布云圖和氣隙磁密，在瞬態(tài)場中可以看出電動機的齒槽轉矩、轉矩和反電動勢圖。兩種求解器的功能不同，操作流程也不同。大體操作流程如圖9-1所示。利用RMxprt模塊建立模型需要知道模型的各個參數(shù)，部分參數(shù)也可以讓RMxprt幫助自動設計。在電動機類型中選擇通用電動機，在電動機參數(shù)里面選擇外部激勵源為三相交流電，轉子類型選擇永磁體內置式，永磁體選擇V型永磁體，輸入前文列舉的各項參數(shù)，生成的電動機模型如圖9-2所示：9.1.2材料的定義及分配電動機的材料選擇是否恰當也會影響電動機的性能，對電動機進行材料分配主要是對定、轉子材料和永磁體材料進行分配。永磁體材料選擇牌號為NdFe35的釹鐵硼，該材料的矯頑力和磁能積較高，是一種性價比較好的永磁體材料，該材料的參數(shù)如表9-1所示：定、轉子材料選擇牌號為DW315-50的硅鋼片，該材料的B-H曲線如圖9-3所示。若要使PMSM在工作時不浪費材料，則要使鐵心材料盡可能工作在B-H曲線的線性區(qū)域內。9.1.3繞組分相情況定子繞組的形式主要包括單層繞組和雙層繞組。圖9-4a所示為單層繞組形式，單層繞組形式在同一定子槽內的導線都是同一相，定子槽內沒有相間絕緣層，定子槽利用率高，槽滿率高，線圈比較集中，安裝方便。本次設計選擇單層繞組形式，同一定子槽內的導線都是同一相，外部電流源為三相交流電流源，因此將48個定子槽分成A、B、C三相，并且A、B、C三項中都既有正向電流和反向電流。繞組的具體分相情況如圖9-5所示：9.1.4電動汽車發(fā)卡繞組PMSM有限元模型將以上在RMxprt模塊中建立的電動機模型進行檢查，檢查完畢若沒有錯誤則在RMxprt模塊中進行分析，將分析完畢后的模型導入到Maxwell中，在Maxwell中生成的模型如圖9-6a所示：9.2電動機模型的穩(wěn)態(tài)場分析在穩(wěn)態(tài)場的仿真中主要可以進行磁力線分布的仿真、磁通密度分布云圖的仿真和氣隙磁密的仿真，在所有仿真之前的重要一步就是對所建立模型進行網格劃分。9.2.1電動機磁力線和磁通密度分布如圖9-8為電動機的磁力線分布圖，通過該圖可以看出電動機的磁力線分布較為均勻，在永磁體兩端有少許漏磁現(xiàn)象。漏磁現(xiàn)象是指永磁體的磁力線沒有經過定子繞組部分，直接回到該永磁體另一面的現(xiàn)象。藍色線部分的漏磁現(xiàn)象是由于添加邊界條件造成的。圖9-9為電動機的磁通密度分布云圖，從該圖中可以看出磁通密度最大值為2.25T，定子齒部磁通密度最大為1.4T，定子軛部的磁通密度最大為1.25T。9.2.2電動機氣隙磁密氣隙磁密對電動機來說非常重要，它決定著電動機的輸出轉矩和感應電動勢，影響氣隙磁密的因素有很多，例如氣隙寬度大小、轉軸材料、磁鋼厚度和極對數(shù)等。氣隙寬度的大小會影響氣隙磁密的大小但不會影響其波形。圖9-10為電動機空載時的氣隙磁密波形圖，氣隙磁密的單位為T，從該圖中可以看出電動機的空載氣隙磁密波形正常，氣隙磁密數(shù)值最大值為0.95T。9.3電動機模型的瞬態(tài)場分析Maxwell中的瞬態(tài)場分析可以對電動機的輸出轉矩、齒槽轉矩和反電動勢進行分析，瞬態(tài)場中的網格劃分和穩(wěn)態(tài)場相同。瞬態(tài)場與穩(wěn)態(tài)場的不同之處就在于在瞬態(tài)場中，模型是運動的因此需要對模型進行運動屬性的設置。本次瞬態(tài)場分析不僅驗證了本次設計的發(fā)卡繞組PMSM是否符合設計要求，還對比了發(fā)卡繞組PMSM和圓線繞組PMSM的轉矩、反電動勢波形和反電動勢諧波圖。在本次對比中保持唯一變量為電機定子繞組的形狀，將發(fā)卡繞組PMSM的繞組形狀設置為圓線狀建立圓線繞組PMSM，并對兩組電機進行瞬態(tài)場的仿真分析。在運動屬性設置中，設置電動機在額定轉速3000r/min下運行,輸入峰值為250A的三相交流電，輸入的電流波形如圖9-11所示。9.3.1電動機的輸出轉矩汽車電動機的輸出轉矩是電動機的一個重要性能，輸出轉矩的大小對汽車的加速性能、爬坡度、帶負載能力等有重要影響。在額定轉速下發(fā)卡繞組PMSM所能輸出的轉矩大小如圖9-12所示。在相同條件下圓線繞組PMSM所能輸出的轉矩如圖9-13所示。9.3.2電動機的齒槽轉矩齒槽轉矩是PMSM的結構造成的，由永磁體和定子鐵心之間的相互作用產生，即使在不通電的情況下也存在。齒槽轉矩會導致電動機出現(xiàn)轉速不平穩(wěn)并且還會使電動機的振動和噪聲增加。齒槽轉矩無法消除，只能盡可能減小。圖9-14為發(fā)卡繞組PMSM的齒槽轉矩。圖9-15是圓線繞組PMSM的齒槽轉矩。對比圖9-14和圖9-15可以看出發(fā)卡繞組PMSM和圓線繞組PMSM的齒槽轉矩波形大致相等，周期和大小也幾乎相同。這說明繞組的形狀對電機齒槽轉矩的影響很小，幾乎可以忽略。9.3.3電動機的反電動勢及諧波反電動勢是PMSM的的一個重要參數(shù)，反電動勢是由于定子繞組反抗電流改變而產生的。9.4發(fā)卡繞組與圓線繞組PMSM的熱場9.4.1電動機熱場分析方法電動機在運行中由于摩擦、電流等因素會產生損耗，部分損耗會轉變?yōu)闊幔瑥亩妱訖C的溫度會上升。目前很多PMSM的永磁體都采用稀土資源，例如釹鐵硼等，這種材料在到達一定溫度后會出現(xiàn)退磁現(xiàn)象。退磁現(xiàn)象就是當達到一定溫度后隨著溫度的升高，材料的磁性不斷下降的現(xiàn)象。退磁會導致永磁體的磁場強度減弱，會影響電動機的整體性能。因此對于電動機熱場的分析非常重要。導熱、對流和熱輻射是熱量傳遞的三個基本方式。我們分析導熱時通常采用有限元的分析方法，將模型分成很多微小的單元。單位時間內導入微元的熱流量為：9.4.2電動機熱場模型的建立將上面Maxwell中建立的模型導入到Motor-cad中，不改變模型的參數(shù)，如圖9-18所示為在熱場中建立的模型圖。為了完成發(fā)卡繞組PMSM和圓線繞組PMSM的熱場對比，需要建立一個圓線繞組PMSM，為了方便對比，應該保證同一變量原則。我們將繞組的形狀設置為變量圖9-19為圓線繞組PMSM定子槽內繞組的情況。在本次對比分析中兩種電動機均采用電動機殼體液冷和風冷相結合的方式，冷卻圖如圖9-20所示。其中風冷可以模擬汽車行駛時的自然風冷卻，液冷的冷卻液選擇乙二醇和水的混合物，混合比例為1：1。9.4.3發(fā)卡繞組PMSM定子鐵耗分析鐵耗是在變壓器的鐵心中產生的，是由渦流損耗、磁滯損耗和其他損耗組成。按照交流電動機設計理論，通常電動機的定子鐵耗可以由式(5-1)計算]。圖9-21為發(fā)卡繞組PMSM的定子鐵耗，從圖中可以看出定子齒部的鐵耗較高，軛部較低，在定子齒部最高鐵耗為0.19W/kg。9.4.4發(fā)卡繞組PMSM與圓線繞組PMSM熱場對比1.

電動機定子繞組溫度對比圖9-23為圓線繞組PMSM的定子繞組溫度圖，利用與發(fā)卡繞組PMSM定子槽相同的位置分割方式，可以將圓線PMSM的定子槽分為同樣的5部分。從圖中可以直觀的看出A部分溫度為82.0℃，B部分溫度為84.0℃，C部分溫度為86.5℃，D部分溫度為85.5℃，E部分溫度為81.0℃，F(xiàn)部分溫度為76.0℃。2.

電動機的橫向、軸向剖視圖溫度對比圖9-24為電動汽車發(fā)卡繞組PMSM的橫向剖視圖的溫度分布情況，從圖上可以看出在定子槽內的最低溫度為77.4℃，定子槽內的最高溫度為86.5℃，定子槽內的平均溫度為83.3℃，兩定子槽中間的溫度為75.0℃，定子槽齒部溫度為68.8℃。圖9-25為電動汽車圓線繞組PMSM的橫向剖視圖的溫度分布情況，從圖上可以看出在定子槽內的最低溫度為80.4℃，定子槽內的最高溫度為103.1℃，定子槽內的平均溫度為96.8℃，兩定子槽中間的溫度為82.3℃，定子槽齒部溫度為75.2℃。圖9-26為電動汽車發(fā)卡繞組PMSM的軸向剖視圖的溫度分布情況，在該圖上可以很清楚的看