MagneForce在电动汽车领域的应用

1、电机与系统时步法有限元仿真平台电机与系统时步法有限元仿真平台 MagneForce 在新能源汽车领域的应用在新能源汽车领域的应用北京怡格明思工程技术有限公司2022年年2月月23日星期三日星期三内内 容容MagneForce平台简介平台简介MagneForce使用方法概述使用方法概述 新能源汽车用电机与系统开发平台的技术需求新能源汽车用电机与系统开发平台的技术需求v汽车工业已经成为世界经济和各国经济发汽车工业已经成为世界经济和各国经济发展的支柱产业展的支柱产业 v环境污染和能源危机是困扰世界各国的两环境污染和能源危机是困扰世界各国的两大难题大难题 v维护我国的能源安全维护我国的能源安全 v电动

2、汽车是提高汽车工业竞争力的机遇电动汽车是提高汽车工业竞争力的机遇 电动汽车电动汽车动力总成动力总成控制系统控制系统电机及其驱动电机及其驱动控制系统控制系统动力蓄电池及其动力蓄电池及其管理模块管理模块电动汽车电动汽车通用通用EV1的电机及其驱动控制系统的电机及其驱动控制系统在在区区中，转矩恒定，而功率随转速的提高线性增加。中，转矩恒定，而功率随转速的提高线性增加。在在区区中，功率恒定，而转矩随着转速的提高呈双曲中，功率恒定，而转矩随着转速的提高呈双曲线衰减。线衰减。 电动汽车用牵引电机的性能特点电动汽车用牵引电机的性能特点l运行工况复杂，有限能量电源供电运行工况复杂，有限能量电源供电l宽调速范围

3、宽调速范围l高瞬时转矩、强过载能力、快速动态响应高瞬时转矩、强过载能力、快速动态响应l整个运行范围内高效率、高功率密度（高整个运行范围内高效率、高功率密度（高转矩密度）转矩密度）电动汽车中的电机形式电动汽车中的电机形式开关磁阻电机无刷直流电机感应电动机直流电动机存在存在不足不足低噪声高效率高转矩密度对开发平台的技术需求对开发平台的技术需求强大的方案对比验证能力强大的方案对比验证能力v不同形式、不同结构的设计开发与方案对比v高效率、易用的建模分析能力v精确的电机仿真分析能力 精确的损耗、效率分析 空载、负载稳、动态性能分析 翔实的电磁参数计算v系统级的仿真分析能力 驱动控制系统 驱动控制策略20

4、22年年2月月23日星期三日星期三MagneForce软件的产品体系软件的产品体系多种结构的设计开发多种结构的设计开发v不断扩充的内置结构模板库多种结构的设计开发多种结构的设计开发v开放的自由建模工具高效率、易用的建模分析能力高效率、易用的建模分析能力v参数化建模v可控的自动前后处理v相对一致的用户界面，便于快速掌握v对象驱动型的用户交互界面设计v一键式电机性能求解2022年年2月月23日星期三日星期三MagneForce软件仿真平台的思想软件仿真平台的思想基于时步法有限元二基于时步法有限元二维电磁场维电磁场场、路耦合适用于非轴向磁场电机设计与仿真饱和非线性迭代计算多种电磁参数、性能数据输出能

5、力MagneForce仿真平台参数化设计参数化设计 参数化建模对象驱动型的用户界面开放的材料库受控的自适应网格剖分多种仿真软件接口功率变换器电路与电机集成设计环境精确的电机分析仿真能力精确的电机分析仿真能力v精确的损耗、效率分析精确的电机分析仿真能力精确的电机分析仿真能力PMSMPMSM多频率下的损耗曲线构建损耗模型，更精确的计算电机铁耗多频率下的损耗曲线构建损耗模型，更精确的计算电机铁耗反电势计算结果与实验结果对比反电势计算结果与实验结果对比Phase bk-emf 850 RPM-6-4-202460.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400

6、.0450.050Time( Sec.)Bk-emf (VoltsSimulationTest逆变器驱动时的性能仿真逆变器驱动时的性能仿真SPICE networkSPICE 电机绕组模型inverter switch signalsMotor Armature ModelpmcpmbpmacbacccbcabcbbbaacabaacbacbacbaiiiLLLLLLLLLdtdiiirrrVVV000000电机的电压方程SPICE模型pmacacbabaaaiLiLiLpmbcbcbbbabaiLiLiLpmccccbcbacaiLiLiLeaLebLecL微分微分arbrcrv视在电感 v

7、增量电感v互感的计算电感矩阵电感矩阵cbacccbcabcbbbaacabaacbaiiiLLLLLLLLLiLdidL无位置传感器转子初始位置检测性能仿真温度对性能的影响温度对性能的影响n绕组电阻n剩磁磁密 Brn矫顽力)5 .234()5 .234(refhotrefhotTTrr电动自行车电动自行车22p/24s, fractional- slot wdg仿真波形与实验波形仿真波形与实验波形900 rpm700 rpm700 rpm900 rpm700 rpm900 rpmBike Motor PerformanceTest & Simulation驱动方式选择驱动方式选择v理想电压源与

8、理想电流源 正弦, 方波v逆变器q6-step driveq6-step pwmqBang-Bang-Current drive (pwm current inverter)qFreeform pwm voltage drive (pwm voltage inverter)Bang-Bang 驱动控制示例驱动控制示例 Vab in 360 deg-e Pwm generated by Base - Carrier wfms Vb magnitude - winding voltage magnitude Vb phase angle - winding voltage phase angle

9、Pwm 电压型逆变器驱动Mostly used with field oriented control矢量控制性能仿真矢量控制性能仿真v给定电流指令 Id & Iq, 或 Is & IsEr v给定负载点的精确仿真（饱和与谐波）v有助于控制系统参数的确定Motor由速度环计算出的转矩指令弱磁指令rotor angleFOC控制结果 (1)8000 rpm no field weakeningRun 面板设置面板设置FOC控制结果 (2)RpmIsErStabilityTorq/IsrcMtr EfficWirn lossTq Reluc70000Yes.153.96283.1080000No.

10、132.9551140800030Yes.134.96278.9.009800045Yes.134.95869.1.01内嵌式PMSM的 FOCIsErLdLqReluct TorqSystem Effic01.73e-3 2.93e-3.0110.791151.70e-3 2.94e-3.0330.809301.67e-3 2.95e-3.0470.813451.65e-3 2.95e-3.0500.796铁耗计算铁耗计算v记录每个单元的磁密历史数据，然后傅立叶分析v将基波和高频谐波损耗相加 (涡流+ 磁滞)铁耗密度分布退磁预估退磁预估19% demag after 100A, 4k rpm

11、, deep field weakening用户自定义热模型用户自定义热模型v提供热网络模型软件接口v在每个饱和迭代计算时调用热计算v热网络模型由用户创建 (dll)vMagneForce 提供 例程代码和帮助Extra thermal inputLoad duration通过有限元模型和外部电路直接耦合计算瞬态过程通过有限元模型和外部电路直接耦合计算瞬态过程v外部电路直接耦合v实心结构体中涡流计算 v基于最后数个交流周期计算瞬态性能 负载变化瞬态仿真示例负载变化瞬态仿真示例转矩由 0 阶跃到 2 NmEddy Current Loss in Conducting Materials磁钢中涡流

12、的计算结果:v6极v5500 rpmv磁钢中总涡流损耗: 3.43W开关管故障开关管故障实心转子计算结果实心转子计算结果 v 0.1166 s 仿真需要 75 min（ 2GHz 双核PC）静态链接示例 电机速度阶跃MagneForce: FE Calcs + Creating M-FileSimulink Model00.511.502500500075001000012500Time (sec.)Speed (RPM)00.511.501020304050Time (sec.)Current(A)00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2-80-60-4

13、0-20020406080Time (sec.)Phase Current (A)Example of Dynamic Link PMG SystemSimulink中的MagneForce 电机模型 永磁发电机系统的仿真结果软件的下一步目标软件的下一步目标n继续扩展材料库和模板库nDxf文件的导入 &导出nId & Iq 指令的函数化输入n支持多核CPU并行计算n求解域优化批处理2022年年2月月23日星期三日星期三2022年年2月月23日星期三日星期三 退磁预估 不对称负载运行仿真 短路故障运行状态仿真 电子负载运行仿真 基于二次有限元单元的精确的齿槽转矩计算 第三方软件接口Data Li

14、nkGenAC2022年年2月月23日星期三日星期三 BLDC 基于二次有限元单元的精确的齿槽转矩计算 PWM控制方案选择和自定义 第三方软件接口Data Link 退磁预估2022年年2月月23日星期三日星期三BCPM 堵转转矩的计算 空载电枢电感计算 基于二次有限元单元的精确的齿槽转矩计算2022年年2月月23日星期三日星期三Indu T形等效短路快捷仿真2022年年2月月23日星期三日星期三内容内容场与路法简述场与路法简述绕组排列绕组排列驱动电路定义驱动电路定义1 1软件界面应用软件界面应用2 2材料管理材料管理3 3网格剖分控制网格剖分控制4 4绕组布置绕组布置5 5场的浏览场的浏览6

15、 6仿真误差控制仿真误差控制7 7绕组排列绕组排列驱动电路定义驱动电路定义软件界面应用软件界面应用2 2材料管理材料管理3 3网格剖分控制网格剖分控制4 4绕组布置绕组布置5 5场的浏览场的浏览6 6仿真误差控制仿真误差控制7 71 1场与路法简述场与路法简述一台新型号电机设计的基本流程一台新型号电机设计的基本流程基于磁路的电机设计基于磁路的电机设计 基于场的电机设计基于场的电机设计2022年年2月月23日星期三日星期三MagneForce中电机的设计过程中电机的设计过程定义电机的物理模型定义电机材料添加激励设置有限元求解器和网格控制设置有限元求解器和网格控制计算空载参数、检验空载磁场 满足要

16、求吗？ 满足要求吗？求解负载参数和瞬态数据结束NoNoYesYes场与路法简述场与路法简述绕组排列绕组排列驱动电路定义驱动电路定义1 1材料管理材料管理3 3网格剖分控制网格剖分控制4 4绕组布置绕组布置5 5场的浏览场的浏览6 6仿真误差控制仿真误差控制7 72 2软件的界面应用软件的界面应用2022年年2月月23日星期三日星期三启动启动BLDC仿真软件包仿真软件包2022年年2月月23日星期三日星期三建立一个新工程或打开一个现有工程建立一个新工程或打开一个现有工程2022年年2月月23日星期三日星期三创建工程创建工程pg4.bldc菜单栏菜单栏快捷按钮快捷按钮选项卡选项卡数据项提示与输入框

17、数据项提示与输入框图形实时显示区图形实时显示区自动计算得出的参数自动计算得出的参数弹出窗口调用按钮弹出窗口调用按钮提示信息栏，将鼠标移到输入框，会给出相应的提示信息提示信息栏，将鼠标移到输入框，会给出相应的提示信息应应用用还还原原取取消消放放大大缩缩小小平平移移2022年年2月月23日星期三日星期三BLDC的五个面板和仿真过程的组织的五个面板和仿真过程的组织设置设置面板面板设计设计面板面板运行运行面板面板结果结果面板面板1.永磁材料永磁材料设置设置2.软磁材料软磁材料设置设置3.有限元求有限元求解器设置解器设置4.网格控制网格控制1.物理模型物理模型定义定义2.驱动电路驱动电路定义定义3.机械

18、负载机械负载和损耗系数和损耗系数定义定义1.空载参数空载参数求解器设置求解器设置2.负载参数负载参数求解器设置求解器设置3.动态特性动态特性求解器设置求解器设置4.第三方软第三方软件接口件接口1.空载参数空载参数计算结果计算结果2.负载参数负载参数计算结果计算结果3.动态特性动态特性计算结果计算结果4.设计报告单设计报告单场浏览器场浏览器1.空载磁场空载磁场2.手动激励手动激励磁场磁场3.运行过程运行过程磁场磁场4.网格、磁密、网格、磁密、磁力线、电流磁力线、电流密度、铁耗密密度、铁耗密度、气隙磁密度、气隙磁密GenAC的五个面板和仿真过程的组织的五个面板和仿真过程的组织设置设置面板面板设计设

19、计面板面板运行运行面板面板结果结果面板面板1.永磁材料永磁材料设置设置2.软磁材料软磁材料设置设置3.有限元求有限元求解器设置解器设置4.网格控制网格控制1.物理模型物理模型定义定义2.机械负载机械负载和损耗系数和损耗系数定义定义1.空载参数求解空载参数求解器设置器设置2.负载参数与性负载参数与性能求解器设置能求解器设置3.故障运行性能故障运行性能求解器设置求解器设置4.不对称运行性不对称运行性能求解器设置能求解器设置5.第三方软件接第三方软件接口口1.空载参数空载参数计算结果计算结果2.负载参数与负载参数与性能计算结果性能计算结果3.故障运行性故障运行性能计算结果能计算结果4.不对称运行不对

20、称运行性能计算结果性能计算结果5.设计报告单设计报告单场浏览器场浏览器1.空载磁场空载磁场2.手动激励手动激励磁场磁场3.运行过程运行过程磁场磁场4.网格、磁密、网格、磁密、磁力线、电流磁力线、电流密度、铁耗密密度、铁耗密度、气隙磁密度、气隙磁密Indu的五个面板和仿真过程的组织的五个面板和仿真过程的组织设置设置面板面板设计设计面板面板运行运行面板面板结果结果面板面板1.永磁材料永磁材料设置设置2.软磁材料软磁材料设置设置3.有限元求有限元求解器设置解器设置4.网格控制网格控制1.物理模型物理模型定义定义2.机械负载机械负载和损耗系数和损耗系数定义定义3.驱动电路驱动电路定义定义1.T型等效型

21、等效电路求解器电路求解器设置设置2.动态过程动态过程求解器设置求解器设置1.T型等效电路型等效电路模型计算结果模型计算结果2.动态过程计动态过程计算结果算结果3.设计报告单设计报告单场浏览器场浏览器1.空载磁场空载磁场2.手动激励磁场手动激励磁场3.运行过程磁场运行过程磁场4.网格、磁密、网格、磁密、磁力线、电流磁力线、电流密度、铁耗密密度、铁耗密度、气隙磁密度、气隙磁密BCPM的五个面板和仿真过程的组织的五个面板和仿真过程的组织设置设置面板面板设计设计面板面板运行运行面板面板结果结果面板面板1.永磁材料永磁材料设置设置2.软磁材料软磁材料设置设置3.有限元求有限元求解器设置解器设置4.网格控

22、制网格控制1.物理模型物理模型定义定义2.机械负载机械负载和损耗系数和损耗系数定义定义3.驱动电路驱动电路定义定义1.空载参数空载参数求解器设置求解器设置2.负载参数负载参数与性能求解与性能求解器设置器设置1.空载参数计空载参数计算结果算结果2.负载参数与负载参数与性能计算结果性能计算结果3.设计报告单设计报告单场浏览器场浏览器1.空载磁场空载磁场2.手动激励磁场手动激励磁场3.运行过程磁场运行过程磁场4.网格、磁密、网格、磁密、磁力线、电流磁力线、电流密度、铁耗密密度、铁耗密度、气隙磁密度、气隙磁密打开软件，演示各部分的操作场与路法简述场与路法简述绕组排列绕组排列驱动电路定义驱动电路定义1

23、1软件界面应用软件界面应用2 2网格剖分控制网格剖分控制4 4绕组布置绕组布置5 5场的浏览场的浏览6 6仿真误差控制仿真误差控制7 73 3材料管理材料管理2022年年2月月23日星期三日星期三定义永磁材料定义永磁材料选择数据的单位材料名称内禀退磁曲线Br的温度系数Hc的温度系数不同温度下的退磁曲线2022年年2月月23日星期三日星期三定义软磁材料定义软磁材料选择数据的单位材料名称第一步：确定编辑的是磁化曲线还是铁耗曲线数据第二步：输入磁化曲线，一般磁化曲线需要至少20个点曲线数据实时显示区2022年年2月月23日星期三日星期三定义软磁材料定义软磁材料第一步：确定输入的是铁耗曲线第二步：输入

24、不同频率下的铁耗曲线数据，尽量覆盖电机基波电流的全频域不同频率下的铁耗以不同颜色显示铁耗模型铁耗模型Loss Model （V3.0）选择选择Iron Loss 后，后，Loss Model 按钮变亮按钮变亮K=W/(f2)Y=W/f铁耗模型铁耗模型Loss Model （V4.0）V4.0中添加了中添加了材料物理属性材料物理属性材料密度材料密度材料比热材料比热材料导热率材料导热率材料导电率，用于瞬态场计算，叠片材料取材料导电率，用于瞬态场计算，叠片材料取0场与路法简述场与路法简述绕组排列绕组排列驱动电路定义驱动电路定义1 1软件界面应用软件界面应用2 2材料管理材料管理3 3绕组布置绕组布置

25、5 5场的浏览场的浏览6 6仿真误差控制仿真误差控制7 74 4网格剖分控制网格剖分控制网格控制网格控制全局网格控制全局网格控制网格控制网格控制边线次要节点控制边线次要节点控制网格控制网格控制有限单元和剖分密度系数有限单元和剖分密度系数最小网格边长最小网格边长转子网格密度转子网格密度定子网格密度定子网格密度气隙强制节点层数气隙强制节点层数剖分单元次数剖分单元次数（空载参数计算，选择（空载参数计算，选择2次单元）次单元）场与路法简述场与路法简述绕组排列绕组排列驱动电路定义驱动电路定义1 1软件界面应用软件界面应用2 2材料管理材料管理3 3网格剖分控制网格剖分控制4 4场的浏览场的浏览6 6仿真

26、误差控制仿真误差控制7 75 5绕组布置绕组布置2022年年2月月23日星期三日星期三绕组排列绕组排列裂相绕组？裂相绕组？槽绝缘厚度槽绝缘厚度导线张紧系数导线张紧系数最大槽满率最大槽满率最小槽面积最小槽面积铜重（铜重（kg）绕组的对称周期（极数）绕组的对称周期（极数）绕组类型：标准或分数槽绕组绕组类型：标准或分数槽绕组相数连接方式并联支路数端部形式导线1线规选择导线2线规选择绕组相电阻每每元元件件匝匝数数线线规规组组成成入入端端槽槽号号出出端端槽槽号号2022年年2月月23日星期三日星期三绕组排列绕组排列端部端部2022年年2月月23日星期三日星期三绕组排列绕组排列线规选择线规选择并绕根数并绕

27、根数选线结果显示选线结果显示场与路法简述场与路法简述绕组排列绕组排列驱动电路定义驱动电路定义1 1软件界面应用软件界面应用2 2材料管理材料管理3 3网格剖分控制网格剖分控制4 4绕组布置绕组布置5 5仿真误差控制仿真误差控制7 76 6场的浏览场的浏览2022年年2月月23日星期三日星期三场浏览器场浏览器手动激励下的磁场分布(可用于某个特定载荷下的磁场检验)Run面板下定义的某个负载/瞬态仿真的电磁场显示是否激活永磁体磁场？给定转子位置给定磁钢的温度绕组电流设定设定结束之后，点击Draw，程序开始计算磁场分布（手动激励模式）或调入磁场计算结果2022年年2月月23日星期三日星期三磁力线磁感应强度分布磁场计算统计信息气隙磁密2022年年2月月23日星期三日星期三显示网格剖分结果并鼠标点取查看单元磁场计算结果显示网格剖分结果并鼠标点取查看单元磁场计算结果2022年年2月月23日星期三日星期三显示网格剖分结果并鼠标点取查看节点磁场计算结果显示网格剖分结果并鼠标点取查看节点磁场计算结果2022年年2月月23日星期三日星期三磁场计算结果的动画演示磁场计算结果的动画演示第一步：选择Flux lines或Bmag