汽车电机及驱动技术 课件 第9章 汽车电机仿真与实验

汽车电机仿真与实验第9章9.1模型的建立9.1.1模型的结构建立本章中模型的建立与仿真是基于ANSYS中的电磁部分Maxwell完成的，该软件具有上手快、计算精准、计算速度快等优点。其中基于磁路解析法计算的RMxprt模块可以在我们输入参数之后自动生成模型，非常方便。Ansoft的求解器分为稳态求解器和瞬态求解器，在稳态场求解器中可以看出电动机的磁力线分布图、磁通密度分布云图和气隙磁密，在瞬态场中可以看出电动机的齿槽转矩、转矩和反电动势图。两种求解器的功能不同，操作流程也不同。大体操作流程如图9-1所示。利用RMxprt模块建立模型需要知道模型的各个参数，部分参数也可以让RMxprt帮助自动设计。在电动机类型中选择通用电动机，在电动机参数里面选择外部激励源为三相交流电，转子类型选择永磁体内置式，永磁体选择V型永磁体，输入前文列举的各项参数，生成的电动机模型如图9-2所示：9.1.2材料的定义及分配电动机的材料选择是否恰当也会影响电动机的性能，对电动机进行材料分配主要是对定、转子材料和永磁体材料进行分配。永磁体材料选择牌号为NdFe35的钕铁硼，该材料的矫顽力和磁能积较高，是一种性价比较好的永磁体材料，该材料的参数如表9-1所示：定、转子材料选择牌号为DW315-50的硅钢片，该材料的B-H曲线如图9-3所示。若要使PMSM在工作时不浪费材料，则要使铁心材料尽可能工作在B-H曲线的线性区域内。9.1.3绕组分相情况定子绕组的形式主要包括单层绕组和双层绕组。图9-4a所示为单层绕组形式，单层绕组形式在同一定子槽内的导线都是同一相，定子槽内没有相间绝缘层，定子槽利用率高，槽满率高，线圈比较集中，安装方便。本次设计选择单层绕组形式，同一定子槽内的导线都是同一相，外部电流源为三相交流电流源，因此将48个定子槽分成A、B、C三相，并且A、B、C三项中都既有正向电流和反向电流。绕组的具体分相情况如图9-5所示：9.1.4电动汽车发卡绕组PMSM有限元模型将以上在RMxprt模块中建立的电动机模型进行检查，检查完毕若没有错误则在RMxprt模块中进行分析，将分析完毕后的模型导入到Maxwell中，在Maxwell中生成的模型如图9-6a所示：9.2电动机模型的稳态场分析在稳态场的仿真中主要可以进行磁力线分布的仿真、磁通密度分布云图的仿真和气隙磁密的仿真，在所有仿真之前的重要一步就是对所建立模型进行网格划分。9.2.1电动机磁力线和磁通密度分布如图9-8为电动机的磁力线分布图，通过该图可以看出电动机的磁力线分布较为均匀，在永磁体两端有少许漏磁现象。漏磁现象是指永磁体的磁力线没有经过定子绕组部分，直接回到该永磁体另一面的现象。蓝色线部分的漏磁现象是由于添加边界条件造成的。图9-9为电动机的磁通密度分布云图，从该图中可以看出磁通密度最大值为2.25T，定子齿部磁通密度最大为1.4T，定子轭部的磁通密度最大为1.25T。9.2.2电动机气隙磁密气隙磁密对电动机来说非常重要，它决定着电动机的输出转矩和感应电动势，影响气隙磁密的因素有很多，例如气隙宽度大小、转轴材料、磁钢厚度和极对数等。气隙宽度的大小会影响气隙磁密的大小但不会影响其波形。图9-10为电动机空载时的气隙磁密波形图，气隙磁密的单位为T，从该图中可以看出电动机的空载气隙磁密波形正常，气隙磁密数值最大值为0.95T。9.3电动机模型的瞬态场分析Maxwell中的瞬态场分析可以对电动机的输出转矩、齿槽转矩和反电动势进行分析，瞬态场中的网格划分和稳态场相同。瞬态场与稳态场的不同之处就在于在瞬态场中，模型是运动的因此需要对模型进行运动属性的设置。本次瞬态场分析不仅验证了本次设计的发卡绕组PMSM是否符合设计要求，还对比了发卡绕组PMSM和圆线绕组PMSM的转矩、反电动势波形和反电动势谐波图。在本次对比中保持唯一变量为电机定子绕组的形状，将发卡绕组PMSM的绕组形状设置为圆线状建立圆线绕组PMSM，并对两组电机进行瞬态场的仿真分析。在运动属性设置中，设置电动机在额定转速3000r/min下运行,输入峰值为250A的三相交流电，输入的电流波形如图9-11所示。9.3.1电动机的输出转矩汽车电动机的输出转矩是电动机的一个重要性能，输出转矩的大小对汽车的加速性能、爬坡度、带负载能力等有重要影响。在额定转速下发卡绕组PMSM所能输出的转矩大小如图9-12所示。在相同条件下圆线绕组PMSM所能输出的转矩如图9-13所示。9.3.2电动机的齿槽转矩齿槽转矩是PMSM的结构造成的，由永磁体和定子铁心之间的相互作用产生，即使在不通电的情况下也存在。齿槽转矩会导致电动机出现转速不平稳并且还会使电动机的振动和噪声增加。齿槽转矩无法消除，只能尽可能减小。图9-14为发卡绕组PMSM的齿槽转矩。图9-15是圆线绕组PMSM的齿槽转矩。对比图9-14和图9-15可以看出发卡绕组PMSM和圆线绕组PMSM的齿槽转矩波形大致相等，周期和大小也几乎相同。这说明绕组的形状对电机齿槽转矩的影响很小，几乎可以忽略。9.3.3电动机的反电动势及谐波反电动势是PMSM的的一个重要参数，反电动势是由于定子绕组反抗电流改变而产生的。9.4发卡绕组与圆线绕组PMSM的热场9.4.1电动机热场分析方法电动机在运行中由于摩擦、电流等因素会产生损耗，部分损耗会转变为热，从而电动机的温度会上升。目前很多PMSM的永磁体都采用稀土资源，例如钕铁硼等，这种材料在到达一定温度后会出现退磁现象。退磁现象就是当达到一定温度后随着温度的升高，材料的磁性不断下降的现象。退磁会导致永磁体的磁场强度减弱，会影响电动机的整体性能。因此对于电动机热场的分析非常重要。导热、对流和热辐射是热量传递的三个基本方式。我们分析导热时通常采用有限元的分析方法，将模型分成很多微小的单元。单位时间内导入微元的热流量为：9.4.2电动机热场模型的建立将上面Maxwell中建立的模型导入到Motor-cad中，不改变模型的参数，如图9-18所示为在热场中建立的模型图。为了完成发卡绕组PMSM和圆线绕组PMSM的热场对比，需要建立一个圆线绕组PMSM，为了方便对比，应该保证同一变量原则。我们将绕组的形状设置为变量图9-19为圆线绕组PMSM定子槽内绕组的情况。在本次对比分析中两种电动机均采用电动机壳体液冷和风冷相结合的方式，冷却图如图9-20所示。其中风冷可以模拟汽车行驶时的自然风冷却，液冷的冷却液选择乙二醇和水的混合物，混合比例为1：1。9.4.3发卡绕组PMSM定子铁耗分析铁耗是在变压器的铁心中产生的，是由涡流损耗、磁滞损耗和其他损耗组成。按照交流电动机设计理论，通常电动机的定子铁耗可以由式(5-1)计算]。图9-21为发卡绕组PMSM的定子铁耗，从图中可以看出定子齿部的铁耗较高，轭部较低，在定子齿部最高铁耗为0.19W/kg。9.4.4发卡绕组PMSM与圆线绕组PMSM热场对比1.

电动机定子绕组温度对比图9-23为圆线绕组PMSM的定子绕组温度图，利用与发卡绕组PMSM定子槽相同的位置分割方式，可以将圆线PMSM的定子槽分为同样的5部分。从图中可以直观的看出A部分温度为82.0℃，B部分温度为84.0℃，C部分温度为86.5℃，D部分温度为85.5℃，E部分温度为81.0℃，F部分温度为76.0℃。2.

电动机的横向、轴向剖视图温度对比图9-24为电动汽车发卡绕组PMSM的横向剖视图的温度分布情况，从图上可以看出在定子槽内的最低温度为77.4℃，定子槽内的最高温度为86.5℃，定子槽内的平均温度为83.3℃，两定子槽中间的温度为75.0℃，定子槽齿部温度为68.8℃。图9-25为电动汽车圆线绕组PMSM的横向剖视图的温度分布情况，从图上可以看出在定子槽内的最低温度为80.4℃，定子槽内的最高温度为103.1℃，定子槽内的平均温度为96.8℃，两定子槽中间的温度为82.3℃，定子槽齿部温度为75.2℃。图9-26为电动汽车发卡绕组PMSM的轴向剖视图的温度分布情况，在该图上可以很清楚的看