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Maxwell温度退磁对电机性能的影响 永磁体退磁介绍 永磁体热退磁仿真 SVD ROM模型在控制系统中的应用 总结 Agenda 回顾:永磁体的退磁 回顾：永磁体的电退磁仿真 0.005.0010.0015.00 Time ms -80.00 -25.00 30.00 80.00 Volts V Ansoft LLCMaxwell3DDesign3 3D_EMF_demaged ANSOFT 0.005.0010.0015.00 Time ms -80.00 -25.00 30.00 80.00 Volts V Ansoft LLCMaxwell3DDesign2 3D_EMF_save_demag ANSOFT 正常 故障 考虑温度特性的的永磁体退磁仿真 考虑温度特性的永磁体模型 Observations about the temperature-dependent instrinsic BH curves All of the temperature-dependent intrinsic BH curves have very similar shape With proper scaling Observation: All intrinsic BH curves collapse into one curve (more or less) after the following normalization (scaling) Br and Hci are the scaling factors Since all normalized BH curves collapse, select a normalized BH curve at a reference temperature. 考虑温度特性的永磁体模型 refcirefirefi refrrefirefi THTHTh TBTBTb / / Br Hci THTHTh TBTBTb ciii rii / / 将20 作为参考温度 制造商提供了 和 ，但这 两个数值仅仅用于验证 考虑温度特性的永磁体模型 Maxwell ToolKitsMaxwell ToolKits 根据一个参考温度下的内禀退磁曲线，推导其他温度下的内禀退磁曲线 根据不同温度下的Br 和 Hci ，计算 和 考虑温度特性的磁钢模型 = -0.0010876 = -0.00647425 Temperature-Dependent Demagnetization Model of Permanent Magnets for Finite Element Analysis P. Zhou, D. Lin, Y. Xiao, N. Lambert and M.A. Rahman, Life Fellow, IEEE 退磁曲线的膝点可以在第二象限，也可以在第三象限。退磁曲线的膝点可以在第二象限，也可以在第三象限。 Maxwell拟合拟合： MaxwellMaxwell设置 B r Hci p(T) q(T) TqTHTTTHTH TpTBTTTBTB refcirefrefcici refrrefrefrr 1 1 测试案例：不同温度下的电机性能 Baseline与与Test1的仿真结果应该类似，的仿真结果应该类似， 因为二者是采用不同的方式，建立相因为二者是采用不同的方式，建立相 同的模型。同的模型。 Test1 Baseline 转矩 Baseline 与与 20 oC 时仿真结果相同时仿真结果相同 仿真结果可以看出，转矩对温度非常敏感仿真结果可以看出，转矩对温度非常敏感. 铁耗 Baseline 与与 20 oC 时仿真结果相同。时仿真结果相同。 所有仿真平均铁耗基本一致所有仿真平均铁耗基本一致. 磁钢涡流损耗 Baseline 与与 20 oC 时仿真结果相同。时仿真结果相同。 仿真结果可以看出，磁钢涡流损耗对温度也比较敏感仿真结果可以看出，磁钢涡流损耗对温度也比较敏感. 3D-3D 测试案例：瞬时转矩 0.001.002.003.004.005.006.007.00 Time ms 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 Moving1.Torque NewtonMeter Curve Info M oving1.Torque m agnet_tem p=20cel M oving1.Torque m agnet_tem p=40cel M oving1.Torque m agnet_tem p=60cel M oving1.Torque m agnet_tem p=80cel M oving1.Torque m agnet_tem p=90cel M oving1.Torque m agnet_tem p=100cel M oving1.Torque m agnet_tem p=110cel M oving1.Torque m agnet_tem p=120cel M oving1.Torque m agnet_tem p=124cel M oving1.Torque m agnet_tem p=135cel M oving1.Torque m agnet_tem p=150cel 温度由温度由20上升到上升到 200 3D-3D 测试案例：平均转矩 20.0040.0060.0080.00100.00120.00140.00 Temperature cel 75.00 100.00 125.00 150.00 175.00 200.00 225.00 250.00 275.00 TorqueNm C urve Info Torque 磁钢中磁密平均值 磁钢磁密平均值在从磁钢磁密平均值在从80 到到 110 比比 其在从其在从 20 到到 80 更剧烈更剧烈。 Workbench电磁场-温度场双向耦合 双向耦合收敛过程 需要三个迭代步，才能收敛需要三个迭代步，才能收敛 单向耦合和双向耦合仿真比较 从仿真结果来看，双向耦合非常有必要从仿真结果来看，双向耦合非常有必要 转矩对温度非常敏感转矩对温度非常敏感. Therefore we propose: 考虑温度的IPMIPM电机ROMROM模型 6种不同温度下的直轴磁链 20C 40C 60C 90C 120C 150C 6种不同温度下的交轴磁链 20C 40C 60C 90C 120C 150C SimplorerSimplorer和有限元结果对比 HEV仿真中的ROM模型 m/s 标准城市工况驾驶模型标准城市工况驾驶模型 三种不同温度下电机性能 加上电机LTI热模型 磁钢温升 永磁体退磁介绍 永磁体热退磁仿真 SVD ROM模型在控制系统中的应用 总结 Agenda CFD 作为一种通用的热分析工具， 其计算精度已经得到了充分的验 证。 但在进行大型模型的瞬态CFD分 析时，计算成本非常高昂（时间、 硬件、剖分等）。 使用ROM模型，能够明显的降低 分析模型的规模和缩短仿真时间。 建立建立ROM模型模型的目的（的目的（Reduced Order Model ） SVD ：奇异值分离算法 Singular Value Decomposition (SVD)?简介简介 How Could SVD Save You Thousands? Each column is a stock price for one year. Wall street worked 150 days that year. 17 stocks are picked to diversify the portfolio. Size of the matrix is 150 x 17. 150 17 What if SVD Result is the Following? . 06. 0 08. 0 0 . 2 2 . 2 5 . 2 7 . 2 3 0 0 SVD的应用 在电机温度场分析中的应用 SVD at Work Each column is a distribution of temperature increase for one time step. 400 time steps are simulated to resolve the step response Size of the matrix is 414,000 x 400 400 414,000 SVD at Work Log scale is used. A subspace of dimension of FIVE captures 99.9% of energy. The problem has essentially 5 DOF rather than 414,000. The ROM works only with the 5 DOF. 1. 建立CFD model 2.Generate step responses 不能使用 Icepak 只能使用 FLUENT 4. 在在 Simplorer 中进行系统仿真中进行系统仿真 3. 抽取抽取 SVD ROM模型模型 使用 Simplorer 用于冷却系统应用的用于冷却系统应用的SVD ROM 模型模型 ANSYS CFD X. Hu, S. Asgari, I. Yavuz, S. Stanton, C-C Hsu, Z. Shi, B. Wang, H-K Chu, “A Transient Reduced Order Model for Battery Thermal Management Based on Singular Value Decomposition,“ Submitted to ECCE 2014. 采用混合网格剖分，数量约为 3,000,000。 使用一个人为定义的损耗曲线特性，来 测试GM的16cell的电池SVD ROM 模 型。 SVD ROM : GM 16 Cell 测试案例 损耗曲线损耗曲线 X. Hu, S. Asgari, I. Yavuz, S. Stanton, C-C Hsu, Z. Shi, B. Wang, H-K Chu, “A Transient Reduced Order Model for Battery Thermal Management Based on Singular Value Decomposition,“ Submitted to ECCE 2014. SVD ROM 验证: GM 16 Cell 测试案例 CFD (200 sec) SVD ROM (200 sec) CFD (400 sec) CFD (600 sec) CFD (800 sec) SVD ROM (400 sec) SVD ROM (600 sec) SVD ROM (800 sec) X. Hu, S. Asgari, I. Yavuz, S. Stanton, C-C Hsu, Z. Shi, B. Wang, H-K Chu, “A Transient Reduced Order Model for Battery Thermal Management Based on Singular Value Decomposition,“ Submitted to ECCE 2014. 锂电池的瞬态温度分布 CFD瞬态温度场计算结果瞬态温度场计算结果. 6 CPUs，仿真时间为，仿真时间为5小时小时. SVD ROM模型仿真结果模型仿真结果. 1 CPU仿真时间为仿真时间为0.5小时小时. X. Hu, S. Asgari, I. Yavuz, S. Stanton, C-C Hsu, Z. Shi, B. Wang, H-K Chu, “A Transient Reduced Order Model for Battery Thermal Management Based on Singular Value Decomposition,“ Submitted to ECCE 2014. 锂电池案例的SVD 统计结果 CFD mesh size 3,025,067 Number of steps in step response run 180 Size of matrix A 3,025,067 180 Number of snap shots used for SVD calculation 180 SVD calculation time 5 minutes SVD calculation memory usage 8.1 G SVD ROM extraction time 5 minutes CFD validation simulation time on six CPUs 5 hours SVD ROM simulation time on the same single CPU a few seconds Using SVD ROM results for an animation on one CPU 10 to 30 minutes X. Hu, S. Asgari, I. Yavuz, S. Stanton, C-C Hsu, Z. Shi, B. Wang, H-K Chu, “A Transient Reduced Order Model for Battery Thermal Management Based on Singular Value Decomposition,“ Submitted to ECCE 2014. SVD ROM : Prius电机电机 损耗计算时，采用二维模型损耗计算时，采用二维模型。 散热分析时，采用混合网格剖分，数量约为散热分析时，采用混合网格剖分，数量约为414 K。 X. Hu, S. Lin, S. Stanton, “A Transient Reduced Order Model for Electric Machines Based on Singular Value Decomposition,“ to be submitted to ITEC 2014. 通过通过Simplorer计算计算系统损耗系统损耗 利用利用HEV的的Simplorer系统模型，计算电机的损耗系统模型，计算电机的损耗 特性。特性。 HEV的的Simplorer系统模型，采用了美国环保局定系统模型，采用了美国环保局定 义的城市驾驶工况义的城市驾驶工况FTP-75 。 在在HEV的的系统模型中，电机模型是通过系统模型中，电机模型是通过Maxwell 计算出的计算出的ROM模型。模型。 用于验证的绕组损耗 X. Hu, S. Lin, S. Stanton, “A Transient Reduced Order Model for Electric Machines Based on Singular Value Decomposition,“ to be submitted to ITEC 2014. SVD ROM 模型验证：Prius电机 CFD (200 sec) SVD ROM (200 sec) CFD (400 sec) CFD (600 sec) CFD (800 sec) SVD ROM (400 sec) SVD ROM (600 sec) SVD ROM (800 sec) X. Hu, S. Lin, S. Stanton, “A Transient Reduced Order Model for Electric Machines Based on Singular Value Decomposition,“ to be submitted to ITEC 2014. SVD ROM计算出的电机瞬态温度场分