车用关键部件设计与工程应用-传感器、作动器及无线充电课件

1、 2015 ANSYS, Inc.1June 5, 2015Realize Your Product Promise车用关键部件设计与工程应用传感器、做动器及无线充电2 2012 ANSYS, Inc.2June 5, 2015EV/HEV中传感器应用 2015 ANSYS, Inc.3June 5, 2015EQUDifference:= FLUXM2.FLUX- FLUXM1.FLUXFLXFLUXM1FLXFLUXM2CONSTCOMP1ECEICA:Link1.GAP:= 3wROT+ROT_VCONST2Maxwell EMSSLink13DHall传感器Difference电涡流传

2、感器Voc = Idriver N1N2(Ldpu1 Ldpu2)电磁传感器仿真分析变磁阻传感器系统模型输出电压 2015 ANSYS, Inc.4June 5, 2015气隙与齿轮位置优化设计传感器输出信号与转角的关系分析 速度控制 外形参数优化设计 信号随气隙变化而变化永磁材料磁极Hall传感器集成芯片Hall传感器 2015 ANSYS, Inc.5June 5, 2015Hall传感器 Hall传感器磁通可通过对B积分得到集成芯片场分布永磁材料及磁极磁场分布Pole Piece6永磁体Cell TopCell Bot 2015 ANSYS, Inc.Hall芯片June 5, 2015

3、ave =BxdAcell_facediff =ave1 ave2差分信号检测对芯片与气隙间的位置进行分析Target Wheel 2015 ANSYS, Inc.7June 5, 2015参数化仿真分析结果 平均磁通和距离的关系 距离 = 1, 2, 以及3mm 2015 ANSYS, Inc.8June 5, 2015ICA:Link1.GAP:= 3EQUDifference:= FLUXM2.FLUX- FLUXM1.FLUXFLXFLUXM1FLXFLUXM2CONSTCONST2COMP1ECEROTROT_Vw+Maxwell EMSSLink13DDifference 比较差分

4、信号与保持信号的关系 高电压输出表示检测到齿部使用ECE模型与Simplorer 进行关联系统仿真分析模型CurveInfoYAxisFLUXM1.FLUXTRY1FLUXM2.FLUXTRY1DifferenceTRY2COMP1.VALTRY2Flux vsY2 2015 ANSYS, Inc.9June 5, 20150.00100.00200.00400.00500.00600.00300.00Time ms0.000.0000系统仿真分析模型 距离 = 3mm 差分信号过小无法检测0.120.00500.100.00400.080.00300.060.00200.040.00100.

5、02CurveInfoYAxisFLUXM1.FLUXTRY1FLUXM2.FLUXTRY1DifferenceTRY2TRY2Flux vsY2 2015 ANSYS, Inc.10June 5, 20150.00100.00200.00400.00500.00600.00300.00Time ms0.000.050.100.140.000.050.030.030.070.130.080.100.150.200.130.170.21系统仿真分析模型 距离 = 1mm 差分信号可正常被检测 2015 ANSYS, Inc.11June 5, 2015磁通随着位置变化12 2012 ANSYS,

6、 Inc.12June 5, 2015EV/HEV中做动器应用 2015 ANSYS, Inc.13June 5, 2015FluentSimplorer系统集成Mechanical结构/强度SCADE嵌入式代码模型提取协同仿真Maxwell电磁CAD集成鲁棒性设计流体CAD集成鲁棒性设计集成化设计流程 2015 ANSYS, Inc.14June 5, 2015典型应用：做动器电磁优化设计 项目背景 这个项目是ANSYS和TRW合作完成，主要采用ANSYS做动器设计解决方案和流程帮助客户设计和优化产品，包括形状，体积，作用力，闭合时间，以及系统性能等。 项目挑战如何精确预测做动器的瞬态电磁特

7、性，并优化其形状、材料、绕组等，满足电磁力要求的同时最大限度减小闭合时间和体积、成本，至关重要。 解决方案基于ANSYS设计流程，采用Maxwell实现做动器瞬态优化设计，结合Mechanical实现电磁、热、结构耦合设计；结合Fluent实现流体负载力计算；结合Simplorer和Fluent实现系统设计。 重要价值正如TRW的工程师Dave Collins所言，ANSYS解决方案可以帮助客户全面、深入地研究设计参数对做动器瞬态电磁特性的相互影响，便捷地优选出最佳性价比的设计方案，精确预测产品电磁、热、结构、控制性能，缩短研发周期、提高产品竞争力。“TRW uses simulation t

8、o shorten thedesign process and improveperformance of our devices.”缩短研发周期，提高产品性能- Dave Collins, TRW 2015 ANSYS, Inc.15June 5, 2015做动器电磁优化结果 通过优化分析找到最短的关断时间Cost 2015 ANSYS, Inc.16June 5, 2015做动器电磁优化结果 通过优化分析找到最优的作用力曲线Iteration 2015 ANSYS, Inc.17June 5, 2015典型应用：做动器电磁、热、流体耦合设计 项目背景这个项目是ANSYS和Nass Magn

9、et合作完成，主要采用ANSYS做动器设计流程帮助客户实现电磁优化设计，高效热分析，系统性能预测等。 项目挑战做动器/电磁阀的设计难题除了电磁优化设计外，还有多物理域耦合设计问题。如何在有限的研发时间内，高效、便捷地预测做动器的热性能和系统性能，至关重要。 解决方案基于ANSYS设计流程，采用Maxwell实现做动器优化设计，结合Fluent精确计算散热系数，并用于Mechanical电磁、热耦合分析，实现便捷、高效、精确的电磁、热耦合分析；结合Fluent和Simplorer协同仿真，实现高精度系统设计。 重要价值ANSYS解决方案既可帮助客户便捷地优化瞬态电磁性能，又可实现全面的多物理域耦

10、合分析，还可根据客户不同设计阶段的具体需求探索最佳的设计方法和流程，精确预测产品性能的同时，缩短研发周期、提高产品竞争力。对流系数通过Fluent计算理想对流系数 2015 ANSYS, Inc.18June 5, 2015做动器电磁、热分析结果对比Outside TemperatureInside Temperature过热区域 70 oC过热区域 81 oC过热区域 65 oC过热区域 72 oC 2015 ANSYS, Inc.19June 5, 2015典型应用：做动器偏移侧向力分析 电磁力与X轴偏移量关系曲线左侧位置X 偏移 = +0.003 英寸气隙 = 0.15 英寸中间位置X

11、偏移 = 0.0 英寸气隙 = 0.15 英寸右侧位置X 偏移 = -0.003 英寸气隙 = 0.15 英寸20June 5, 2015典型应用：做动器倾斜侧向力分析 电磁力与气隙偏心关系曲线偏心-0.5度 2015 ANSYS, Inc.偏心-0度偏心+0.5度 2015 ANSYS, Inc.21June 5, 2015典型应用：做动器集成化系统设计Maxwell系统仿真FLUENT协同仿真Simplorer 系统仿真电路22 2012 ANSYS, Inc.22June 5, 2015EV/HEV中无线充电应用Efficiency微波式Transfer Distance 2015 AN

12、SYS, Inc.23June 5, 2015EV/HEV中无线充电应用磁感应式1mm1cm 10cm10m100%0%谐振式感应式(15W)感应式(50kW)Ref: EE Times Japan 2009.10电磁场50%系统设计ACPowerInverterCable1mCapacitor100mPrimary CoilSecondary CoilBatteryRectifier/Charger 2015 ANSYS, Inc.24June 5, 2015汽车无线充电装置Gap meterB (tesla) 2015 ANSYS, Inc.25June 5, 20150.00100.00

13、300.00400.00200.00H (A_per_meter)0.000.200.100.300.500.60Maxwell静磁场分析铁心饱和Cores BH curve, Mag_B field plotNo magnetic saturationNonlinear BH curve0.0020.0040.0060.0080.00100.00Current A0.001.000.10ANSOFT0.0000e+0000.010.405.7000e+0031.7100e+0041.1400e+0042D_Static_BHMatrix1.L(CnH3.4200e+0042.8500e+00

14、42.2800e+004Mutual Inductance L12Specification Area 最大磁密分布在材料的线性区域，可将材料等效为线性磁性材料。Matrix1.CplCoef(Current_1,Current_2) 2015 ANSYS, Inc.26June 5, 2015静态磁场分析电抗：L, M耦合系数： k电磁场铁心饱和Coupling factor k sliding gap0.0020.0040.0060.0080.00100.00120.00140.00160.00Sliding mm0.800.603D_Static_sliding_kCoupling -

15、kANSOFT1.00Curve InfoMatrix1.CplCoef(Current_1,Current_2)Setup1 : LastAdaptiveGap=50mmMatrix1.CplCoef(Current_1,Current_2)Setup1 : LastAdaptiveGap=100mmMatrix1.CplCoef(Current_1,Current_2)Setup1 : LastAdaptiveGap=150mmMatrix1.CplCoef(Current_1,Current_2)Setup1 : LastAdaptiveGap=200mm0.40Mag B0.200.0

16、0铁心形状/材料线圈匝数电流大小气隙 2015 ANSYS, Inc.27June 5, 2015涡流磁场分析交流特性：电抗：L, M耦合系数： k磁场铁心磁滞效应屏蔽屏蔽材料(Aluminum)铁心形状/材料线圈匝数频率气隙屏蔽形状/材料铁芯(Power Ferrite)没有屏蔽有屏蔽 2015 ANSYS, Inc.28June 5, 2015L1 MM L2k=0.54L1磁场分析：参数抽取L, M, k :自感互感耦合系数L2M 2015 ANSYS, Inc.29June 5, 2015频域求解 涡流场求解器计算阻抗矩阵,同时包含电阻和电抗； 计算的电阻是交流电阻，包含直流分量+集肤

17、效应和临近效应引起的附加电阻。 2015 ANSYS, Inc.30June 5, 2015Maxwell参数化分析 2015 ANSYS, Inc.31June 5, 2015无线充电系统仿真AC200VRectifyInverterWireless Power TransformerBatteryController屏蔽板 2015 ANSYS, Inc.32June 5, 2015线圈原边线圈控制电路和场路耦合20kW 400V/20kHz降阶模型(ROM)铁芯副边线圈 2015 ANSYS, Inc.33June 5, 2015ROM在系统仿真中的应用AC / 频域TR / 时域 20

18、15 ANSYS, Inc.34June 5, 2015气隙仿真流程偏移电路/系统仿真(AC / TR) 电路/驱动控制设计 波形、效率、功率因数等磁场求解器+电路/系统仿真器静磁场铁芯、绕组涡流场阻抗模型瞬态场场分布、损耗效率% 2015 ANSYS, Inc.35June 5, 2015效率Map图 输出功率/输入功率 计算 每种工况下的耦合电容90%50%20%100%P outP in =P =VI cos偏移 mm气隙 mm气隙偏移Max.96% 2015 ANSYS, Inc.36June 5, 2015设计优化: 比较不同方案之间盘式线圈螺线管式线圈 2015 ANSYS, In

19、c.37June 5, 2015效率随偏移大小的变化计算 同一个线圈间距 螺线管式线圈比盘式线圈效率更高Gap 2015 ANSYS, Inc.38June 5, 2015效率随线圈间距大小计算 无偏移 螺线管式线圈传输效率更高 2015 ANSYS, Inc.39June 5, 2015ROM在系统级仿真的应用案例AC400VRectifyInverterWireless Power TransformerBatteryControllerMag_B mTesla 2015 ANSYS, Inc.40June 5, 2015系统仿真结果返回磁场计算0.000.200.400.600.801.

20、00Distance meter1.0010.002D_EddyXY Plot 1ANSOFTCurve InfoMag_BSetup1 : LastAdaptiveFreq=20kHz Phase=0deg0.100.010.00Distance0.00磁场强度Distance磁密云图41磁滞损耗 2015 ANSYS, Inc.June 5, 2015Freq kHz120.0000000.3131443D_EddyCore2nd_LossSetup1 : LastAdaptivePhase=0degCore LossCore1st_LossSetup1 : LastAdaptivePhase=0degANSOFT0.909102Core lossW铁心磁滞效应计算考虑介质损耗角 = j= (1 jtan)PrimarySecondary 2015 ANSYS, Inc.42June 5, 2015涡流损耗计算关键技术: 阻抗边界条件原边表面损耗副边表面损耗Freq kHzSetup1 : LastAdaptivePhase=0degSetup1 : LastAdaptivePhase=0deg120.0000