电动汽车驱动电机的设计和仿真

0
2π
4π
6π
θ
Bg PM excitation
2π
4π
6π
θ
Enhancing electric excitation
Bg(T) PM part Exciting part
PM part
0
2π
4π
6π
θ
2009年6月15日 Weakening electric excitation
40
Back EMF and field adjustability
基于热网络与温度场混合模型，分析电机导热与冷却结构的性能， 在此基础上进行电机系统运行的热能管理仿真。
3. 电机系统仿真与应用控制策略研究。
3 2009年6月15日
各类新能源汽车永磁电机的设计实例
1. IPM永磁— 磁阻同步电机 2. 盘式永磁同步电机-TORUS盘式永磁电机 3. 盘式永磁同步电机-KAMAN盘式永磁车轮电机 、 4. 双馈电混合并联磁路无刷永磁电机、 5. 旁路式混合励磁无刷永磁电机 6. 独立磁路混合励磁电机 7. 双机械端口能量变换器 8. 新型双转轴能量变换器—磁性齿轮+永磁同步电机 9. 混合励磁爪极电机
等效磁网络法分析
EMF
R5 E5
EMF
R2 E2
R3 E3
R6 E6
R1 E1
IA
RA
+A
IB
RB
+ +A
VBC V
IC
RC
+A
+
VGE R4 V
+
A AM_IG E4
ICA: PP := ON := OFF := THRESH : HYST :=
EMSSL
N_1
N_7
N_2
N_3 N_4
Torq +A
Phase emf vs excitation mmf
Airgap flux density vs excitation mmf
z Mmf linearly enhances magnetization z Two side adjustment of excitation (enhancing and weakening)
物
nb与nmax两关键运行点性能评估与折衷平衡分析
理 域
分
结构尺寸优化与设计变量微调？
Y
析
N
任意负载状态下d、q轴电枢反应电感 Lad 和Laq 的计算 驱
设置IPM电机驱动系统的系统仿真模型和相关参数
动
系
统
系统潜能分析和动态仿真
的
系
Y
统
符合设计要求？
仿
真 N
设计完成
概念设计与结构设计
振动模态分析 转子结构应力分析与疲劳仿真
定子d，q轴电流仿真波形
0rpm加速到7000rpm的性能仿真
24
2009年6月15日
基于虚拟实时仿真的电机控制系统实验平台
25 2009年6月15日
基于dSAPCE的车用永磁电机系统实时仿真平台
硬件在回路仿真平台示意图
2009年6月15日
基于dSPACE的车用永磁电机系统实时仿真平台示意图
26
现代新能源汽车永磁电机设计
提出基于多领域分析、多层面 交叉耦合仿真的现代车用电机 系统设计理念及其实现方法
电机结构、电磁学、力学、热学 电机单元、电力电子单元、数字控制 单元及其控制策略 解决了车用电机极限设计的多领域精 确分析以及结合应用控制策略的交叉 耦合仿真的深层处技术难题。
2 2009年6月15日
基于CAN通信的系统调试界面
电机系统性能测试平台
2009年6月15日
DSP2812控制板
28
2. 盘式永磁同步电机-TORUS盘式永磁电机
双转子内定子盘式永磁电机不仅密度高、效率高；而且刚度强，以利 降低电机的振动与噪声。
S
N
Φ
S
N
TORUS NN型结构
TORUS NN型无槽结构
2009年6月15日
-750
-750 -500 -250
0
250
500 750
最大能力仿真结果与实验对比
2009年6月15日
考虑饱和因素的最大能力仿真结果
13
Matlab/Simulink 环境下系统性能仿真
系统动态仿真程序
定子电流控制策略原理图
性能仿真结果
定子d，q轴电流仿真波形
0rpm加速到7000rpm的性能仿真
车用电机设计与结构仿真
HEV
2009年6月15日
ISG
HEV
ISG
8
车用电机设计与结构仿真
ISG电机-内燃机一体化结构仿真
9 2009年6月15日
电机本体与驱动电路耦合电磁仿真
有限元分析模型
2009年6月15日
网格剖分
10
Simplorer 环境下电机本体与驱动电路耦合的电磁性能仿真
11 2009年6月15日
43 2009年6月15日
Voltage Source
DC- DC
MAWHE Generator
Rotating Part
Stator
PM
Rotating- Armature AC Exciter
2009年6月15日
Rotating Diode- Rectifier
Rotating armature exciter: 1. brushless 2. compact structure 3. low excitation rating 4. cost effective 5. applicable to huge wind-
N
S stator-1
32 2009年6月15日
4. 双馈电混合并联磁路无刷永磁电机
—轴向磁场盘式结构电机
33 2009年6月15日
永磁体磁路
去磁磁路
2009年6月15日
助磁磁路
34
4.双馈电混合并联磁路无刷永磁电机
—径向磁场结构电机
中国发明专利：双馈电混合励磁轴向磁场永磁电机， 授权日期：2008年4月23日 授权号：ZL 200510112091.9）
分析技术性能要求
方案论证比较、确定设计方案框架
给定设计变量初选值
概
主要尺寸以及各部位尺寸设计
念 设
计
nb与nmax两关键运行点性能粗略估算以及折衷平衡分析
发热与冷却结构性能校核
设计变量调整？
Y
N
设置电磁，机械，热有限元分析 计算的模型和相关参数
nb 点多物理域分析计算
nmax 点多物理域有限元分析计算 多
旁路式混合励磁无刷永磁电机
轴
S
向
Iron
Iron
磁
S
S
场 结
Iron
Iron
S
构
径 向 磁 场 结 构
中国发明专利：旁路式混合励磁电机 授权日期： 2008年2月13日, 授权号：ZL 200510112090.4
38 2009年6月15日
6.独立磁路混合励磁电机
提出一种磁势并联、结构紧凑、磁场调节范围广的径向磁场混合励磁电机。该电 励磁绕组的端部安置在电枢绕组端部的内侧，有效地利用电机的轴向空间，提高混合 励磁电机的效率和转矩密度。采用交流励磁机供电，无需电刷，系统的可靠性高。
MOI_ J
PHI
N_5
N_8
N_6
DEG
GAIN GAIN
电机本体与驱动电路耦合电磁仿 真
①
Ra1
R19
Rw1
Ta Tw
C1
R12 R15
②
I2
C2
R23
R24 I3
③
⑤
⑨
R35
C3
I5
R34
R59 C5
R9a
C9
Ta
④
I4
C4 R46
R47
⑥
R67 C6
⑦
C7 R78 ⑧ C8 R89
系统热能管理与热性能仿真
16
固有频率测试装备及响应图
16
基于热网络法的系统热能管理及热性能仿真
⑤ ⑨
② ③④
⑥ ⑦
⑤ ⑨
⑧
水冷机座结构IPM电机模型
IPM电机热网络模型
2009年6月15日
额定- 峰值运行方式热性能仿真
17
基于有限元法的温度分布与热量传递分布
IPM电机持续运行的温度动态仿真
IPM电机持续运行的热量传递分布
4 2009年6月15日
1.IPM永磁— 磁阻同步电机
Tem
=
3 2
p[ψ pmiq
+
( Ld
−
Lq )idiq ]
IPM 转子的凸极率比较研究
5 2009年6月15日
典型的IPM永磁— 磁阻同步电机转子结构
单层IPM永磁电机
2009年6月15日
双层IPM永磁电机
三层IPM永磁电机
6
基于多领域的IPM永磁— 磁阻同步电机设计实例
定子电流指令
21
定子电流轨迹
Simplorer 环境下电机本体与驱动电路耦合的电磁性能仿真
22 2009年6月15日
Simplorer 环境下电机本体与驱动电路耦合的电磁性能仿真
23 2009年6月15日
Matlab/Simulink 环境下系统性能仿真
系统动Biblioteka Baidu仿真程序
定子电流控制策略原理图
性能仿真结果
S
N
Φ
N
S
TORUS NS型结构
29
TORUS盘式车轮电机应用
30 2009年6月15日
TORUS 盘式轮毂电机应用
31 2009年6月15日
3. 盘式永磁同步电机-KAMAN盘式永磁车轮电机
双定子内转子盘式电机转子重量最轻，外定子结构散热方便，可得到最大 的散热面积。
rotor
stator-2
2009年6月15日
IPM电机磁密与铁耗分布
18
基于虚拟实时仿真实验的电机系统快速研发平台
-----基于多层面集成仿真技术的电机控制系统快速研发平台
基于Matlab/Simulink 的离线仿真平台
基于SIMPLORER的系统仿真平台
DS1103 控制板
基于dSAPCE 的实时仿真平台
2009年6月15日
FPGA虚拟实时仿真系统
DSP实验系统
19
Simplorer 环境下电机本体与驱动电路耦合的电磁性能仿真
20 2009年6月15日
Matlab/Simulink 环境下的车用永磁电机系统仿真
id*
n
iq*
Ω
ia
n
Ω
θθ
ic
电机控制系统示意图
电机控制系统仿真模型
ISG电机稳态电磁关系
2009年6月15日
1.电机的概念设计与结构仿真。
概念设计是整个设计的核心与关键技术所在，结合结构仿真进行电机 的制造工艺等工程技术方案的论证工作。
2. 电机多物理场分析计算与设计方案认证。
工作着眼于电机内部的磁场，应力场，温度物的精确分析计算。 采用电机本体与驱动电路的耦合仿真精确分析计算电机系统的电磁性 能；综合永磁电机转子的电磁应力、离心应力、热应力的性能分析，找 出转子结构可靠性的薄弱环节，进行疲劳仿真与寿命估计。
Rotating-armature HEIMP machine Ac exciter
中国发明专利申请：独立磁路混合励磁电机 申请日期：2008年1月8日 申请号：No.200810032392.4
39 2009年6月15日
Operation mechanism of HEIMP machine
Bg(T) PM part Exciting part PM part
14
2009年6月15日
基于有限元法的永磁转子结构应力、疲劳仿真 及其可靠性、敏感性分析
转子最大离心应力
永磁转子应力分析
转轴模态分析
2009年6月15日
转子表面形变分布
15
基于有限元法的振动模态、固有频率 及其可靠性、敏感性分析
三维有限元仿真模型
定子振动模态r =2,3,4,5
2009年6月15日
power generation
基于dSAPCE的车用永磁电机系统实时仿真平台
(RTI )
3
RTI
6
4
5
1 7
车用牵引电机系统控制器实时仿真框图
2
(RTI )
8
车用永磁同步电机矢量控制策略的实时仿真框图
基于dSPACE的车用电机系统实时 2009年6月仿15真日平台实物图
27
dSPACE实时监控界面
DSP实验系统
DSP开发平台
Simplorer 环境下电机本体与驱动电路耦合的电磁性能仿真
12 2009年6月15日
Matlab/Simulink 环境下系统最大运行能力仿真
系统最大运行能力仿真程序
750 500
250
/
A2 A1
T=310Nm T=212Nm
T=100Nm
0
-250 9000rpm
5500rpm -500
35 2009年6月15日
5. 旁路式混合励磁无刷永磁电机
旁路式弱磁概念
36 2009年6月15日
旁路式混合励磁无刷永磁电机
提出一种通过磁通旁路的方法调节气隙磁通的思想，既可改变感应电势 大小，又能避免对磁钢去磁的危险。
直流励磁电流为助磁状态的电机磁路分析 直流励磁电流为弱磁状态的电机磁路分析
37 2009年6月15日
ω ω
2009年6月15日
Thermal analysis
Simulation on coupled magnetic field and electric circuit
42
Voltage Source
DC- DC
MAWHE Generator
Rotating Part
Stator
PM
Rotating- Armature Rotating Diode- Rectifier AC Exciter
41 2009年6月15日
Prototype design analysis
Multi-field analysis and system synthesis
Conceptual design and structure simulation
Analysis of vibration modes
Von Mises analysis of rotor