電動汽車驅(qū)動電機

的計算機仿真張峰

隨著能源使用緊張，石油價格上漲，以及生態(tài)環(huán)境等問題的日益突出，汽車行業(yè)面臨新的挑戰(zhàn)。新能源電動汽車面臨著前所未有發(fā)展機遇，既有社會的實際需求，又有國家的大力支持，在眾多的電動汽車廠家中誰先掌握行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，那么將獲得巨大的成功。

電動汽車驅(qū)動電機，作為電動汽車的心臟，其工作性能是評價一臺電動汽車品質(zhì)的重要組成部分。在當前如此激烈的市場競爭環(huán)境下短周期內(nèi)開發(fā)性能優(yōu)良的產(chǎn)品提升市場競爭力成為企業(yè)生死存亡的關(guān)鍵。各種電機的工作狀態(tài)和性能均由電磁場來決定。所以電磁場數(shù)值分析和計算機仿真模擬可為產(chǎn)品的設(shè)計和優(yōu)化提供最可靠的依據(jù)，節(jié)省開發(fā)成本，許多花費巨大的模擬試驗得以用電磁場數(shù)值計算方法代替。以至于使用計算機進行電機仿真成為快速開發(fā)新產(chǎn)品，進行電機設(shè)計的重要手段。永磁同步電動機的特點永磁同步電動機具有一些其它結(jié)構(gòu)電機所沒有的特點。主要有：①轉(zhuǎn)矩紋波小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，動態(tài)響應(yīng)快速準確，過載能力強。永磁同步電動機的最大轉(zhuǎn)矩可以達到額定轉(zhuǎn)矩的3倍以上。對電機系統(tǒng)在負載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下穩(wěn)定運行非常有利。②高功率因數(shù)、高效率。它的效率比同規(guī)格的異步電動機可以提高2～8個百分點。與電勵磁同步電動機相比，永磁同步電動機省去了勵磁功率，提高了效率。而且，永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內(nèi)均可以保持較高的功率因數(shù)和效率，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著，在長期的使用中可以大幅度地節(jié)省電能。③體積小、重量輕。

④結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。永磁同步電動機由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)極其多樣，產(chǎn)生了特點和性能各異的許許多的品種。⑤可靠性高與直流電動機和電勵磁同步電動機相比，它沒有電刷，簡化了結(jié)構(gòu)。增加了可靠性。

鑒于永磁同步電機的這些優(yōu)點，使其成為電動汽車驅(qū)動電機的最佳選擇，況且，我國有著豐富稀土資源的得天獨厚的優(yōu)勢，更使稀土永磁電機成為電動汽車驅(qū)動電機研究的主要方向。

Maxwell軟件包是Ansoft公司針對機電系統(tǒng)電磁計算開發(fā)的有限元軟件包，包含2D和3D求解器。Maxwell2D是一種功能強大、結(jié)果精確、易于使用的二維電磁場有限元分析軟件，它所包含的自上而下執(zhí)行的用戶界面、領(lǐng)先的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)、用戶定義材料庫等特點，使得Maxwell2D在易用性上遙遙領(lǐng)先。其包含靜磁場、渦流場、靜電場、恒定電場、交變電場和瞬態(tài)場等數(shù)種求解器。具有高性能矩陣求解器和多CPU處理能力，提供了最快的求解速度Rmxpt軟件包是針對電機的磁路設(shè)計開發(fā)的軟件包，其中包含了三相感應(yīng)電機，單相感應(yīng)電機，三相同步電機、無刷永磁直流電機、可調(diào)速同步電機、永磁電機、開關(guān)磁阻電機、異步起動永磁同步電機、串激電機、直流電機和爪極電機等類型的磁路設(shè)計。輸入定子基本參數(shù)輸入繞組參數(shù)并選擇繞組類型查看繞組繞線形式通過查看定子繞組形式，用戶可以非常直觀的觀察定子繞線的形式，查看繞線的接法，判斷繞組形式是否與工程機的設(shè)計思路相一致，也使得后續(xù)工人下線的時候，更簡單明了的分析下線程序，提高工作效率。設(shè)置轉(zhuǎn)子參數(shù)，并選擇磁鐵放置形式用戶也可以根據(jù)自己的需要進行自主設(shè)計設(shè)置電機的基本參數(shù)從計算單中我們可以查看電機的一些主要性能查看性能曲線效率和力矩角的曲線空載時的氣隙磁密

在電機設(shè)計初期，電機的幾何尺寸，繞組匝數(shù)，線規(guī)等參數(shù)無法準確給出，總是需要經(jīng)過反復(fù)計算，多方案對比后方可得到主要尺寸，這在電機設(shè)計中對應(yīng)于電機的參數(shù)分析和優(yōu)化設(shè)計。RMxprt除了具備最基本的校核功能能夠外，還具備相當強大的參數(shù)分析和優(yōu)化設(shè)計功能。在定轉(zhuǎn)子沖片材料和尺寸不變的情況下僅改變鐵心長度，來觀察對電機性能參數(shù)的影響。設(shè)定鐵芯長度變化范圍及步長輸出功率隨鐵心長度變化的規(guī)律功率因數(shù)隨鐵芯變化的規(guī)律多條曲線在同一坐標系內(nèi)顯示，可以綜合觀察各項參數(shù)2D模型的有限元分析

一般步驟創(chuàng)建2D模型制定電機所用材料的屬性指定邊界條件設(shè)定激勵源對各部分進行剖分求解，后處理穩(wěn)態(tài)磁場分析暫態(tài)磁場分析創(chuàng)建2D模型2D模型的創(chuàng)建有多種方法，用戶可以根據(jù)RMxprt的電機模型有系統(tǒng)自己創(chuàng)建，也可以使用2D模塊自帶的繪圖工具直接進行繪制，也可以使用ａｏｔｕｃａｄ或ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ等繪圖工具畫好電機模型，然后倒入到ｍａｘｗｅｌｌ中來。我們用系統(tǒng)自帶的udp來建一個電機模型創(chuàng)建電機定子輸入定子參數(shù)，轉(zhuǎn)子參數(shù)定子模型轉(zhuǎn)

子

模

型輸入磁鐵和定子繞組的參數(shù)，我們可以得到下圖，電機的2d模型為電機的各部分指定材料Maxwell自帶的材料庫設(shè)定永磁體的充磁方向?qū)τ陔姍C模型，邊界一般選擇矢量場給磁路計算指定邊界依次為A，B，C三相指定電壓源激勵做完前面的步驟就可以開始系統(tǒng)自檢，如果自檢沒有發(fā)現(xiàn)錯誤，就可以進行計算了，系統(tǒng)進行計算程序?qū)﹄姍C的各部分進行剖分，剖分效果如上圖查看力矩曲線磁力線分布曲線效果圖磁場強度分布圖