电动汽车驱动电机的设计和仿真

2009年6月15日2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。2009年6月15日31.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。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。2009年6月15日4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2009年6月15日5IPM转子的凸极率比较研究])([23qddqpmemiiLLipTq−+=ψ1.IPM永磁—磁阻同步电机2009年6月15日6典型的IPM永磁—磁阻同步电机转子结构单层IPM永磁电机双层IPM永磁电机三层IPM永磁电机电机本体与驱动电路耦合电磁仿真概念设计与结构设计转子结构应力分析与疲劳仿真振动模态分析等效磁网络法分析系统热能管理与热性能仿真TwTa①R12Rw1Ra1C1②C2I2③R23C3I3④C4I4R47⑥R46R67⑦R78C7C6⑧C8R89Ta⑨R9aC9⑤R35C5R59R19I5R34R24R15DEGPHIJMOI_EMFRARBRCA+IAA+IBA+ICGAINGAINICA:A+TorqPP:=EMFE1R1E2R2E3R3E4R4E5R5E6R6ON:=OFF:=-THRESH:HYST:=A+AM_IG+VVBC+VVGEN_1N_2N_3N_4N_5N_6N_7N_8EMSSL分析技术性能要求给定设计变量初选值主要尺寸以及各部位尺寸设计方案论证比较、确定设计方案框架发热与冷却结构性能校核设计变量调整？设置电磁，机械，热有限元分析计算的模型和相关参数两关键运行点性能粗略估算以及折衷平衡分析bnmaxn与NY点多物理域分析计算bn点多物理域有限元分析计算maxn两关键运行点性能评估与折衷平衡分析bnmaxn与结构尺寸优化与设计变量微调？NY概念设计多物理域分析设置IPM电机驱动系统的系统仿真模型和相关参数系统潜能分析和动态仿真驱动系统的系统仿真符合设计要求？设计完成YN任意负载状态下d、q轴电枢反应电感和的计算adLaqL基于多领域的IPM永磁—磁阻同步电机设计实例2009年6月15日8ISGHEVHEVISG车用电机设计与结构仿真2009年6月15日9ISG电机-内燃机一体化结构仿真车用电机设计与结构仿真2009年6月15日10电机本体与驱动电路耦合电磁仿真有限元分析模型网格剖分2009年6月15日11Simplorer环境下电机本体与驱动电路耦合的电磁性能仿真2009年6月15日12Simplorer环境下电机本体与驱动电路耦合的电磁性能仿真2009年6月15日13Matlab/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最大能力仿真结果与实验对比考虑饱和因素的最大能力仿真结果250500750-250-500-7500-750-500-2500250500750T=212NmT=100Nm9000rpm5500rpmA1A2T=310Nm/2009年6月15日14系统动态仿真程序定子电流控制策略原理图0rpm加速到7000rpm的性能仿真性能仿真结果定子d，q轴电流仿真波形Matlab/Simulink环境下系统性能仿真2009年6月15日15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转子表面形变分布转轴模态分析永磁转子应力分析2009年6月15日1616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固有频率测试装备及响应图2009年6月15日17②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑤⑨基于热网络法的系统热能管理及热性能仿真IPM电机热网络模型水冷机座结构IPM电机模型额定-峰值运行方式热性能仿真2009年6月15日18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IPM电机磁密与铁耗分布2009年6月15日19DS1103控制板基于Matlab/Simulink的离线仿真平台基于SIMPLORER的系统仿真平台基于dSAPCE的实时仿真平台DSP实验系统FPGA虚拟实时仿真系统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2009年6月15日20Simplorer环境下电机本体与驱动电路耦合的电磁性能仿真2009年6月15日21Matlab/Simulink环境下的车用永磁电机系统仿真θΩnnaici*di*qiΩθ定子电流指令定子电流轨迹电机控制系统仿真模型电机控制系统示意图ISG电机稳态电磁关系2009年6月15日22Simplorer环境下电机本体与驱动电路耦合的电磁性能仿真2009年6月15日23Simplorer环境下电机本体与驱动电路耦合的电磁性能仿真2009年6月15日24系统动态仿真程序定子电流控制策略原理图0rpm加速到7000rpm的性能仿真性能仿真结果定子d，q轴电流仿真波形Matlab/Simulink环境下系统性能仿真2009年6月15日25基于虚拟实时仿真的电机控制系统实验平台2009年6月15日26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基于dSPACE的车用永磁电机系统实时仿真平台示意图2009年6月15日27基于dSAPCE的车用永磁电机系统实时仿真平台dSPACE实时监控界面车用牵引电机系统控制器实时仿真框图车用永磁同步电机矢量控制策略的实时仿真框图RTI12345678(RTI)(RTI)基于dSPACE的车用电机系统实时仿真平台实物图2009年6月15日28DSP实验系统DSP2812控制板基于CAN通信的系统调试界面DSP开发平台电机系统性能测试平台2009年6月15日292.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。ΦNNSSNNSSΦTORUSNN型结构TORUSNS型结构TORUSNN型无槽结构2009年6月15日30TORUS盘式车轮电机应用2009年6月15日31TORUS盘式轮毂电机应用2009年6月15日323.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。NSrotorstator-2stator-12009年6月15日334.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2009年6月15日34永磁体磁路去磁磁路助磁磁路2009年6月15日35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：ZL200510112091.9）4.双馈电混合并联磁路无刷永磁电机—径向磁场结构电机2009年6月15日365.旁路式混合励磁无刷永磁电机旁路式弱磁概念2009年6月15日37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2009年6月15日38旁路式混合励磁无刷永磁电机中国发明专利：旁路式混合励磁电机授权日期：2008年2月13日,授权号：ZL200510112090.4SSSSIronIronIronIron径向磁场结构轴向磁场结构2009年6月15日396.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。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.200810032392.4HEIMPmachineRotating-armatureAcexciter2009年6月15日40OperationmechanismofHEIMPmachinegBθ2π4π6πθ2π4π6π0PMpartExcitingpartPMpartgB(T)θ2π4π6π0PMpartExcitingpartPMpartgB(T)WeakeningelectricexcitationEnhancingelectricexcitationPMexcitation2009年6月15日41BackEMFandfieldadjustabilityAirgapfluxdensityvsexcitationmmfPhaseemfvsexcitationmmfzMmflinearlyenhancesmagnetizationzTwosideadjustmentofexcitation(enhancingandweakening)2009年6月15日42VonMisesanalysisofrotorAnalysisofvibrationmodesSimulationoncoupledmagneticfieldandelectriccircuitThermalanalysisPrototypedesignanalysisMulti-fieldanalysisandsystemsynthesisConceptualdesignandstructuresimulationωω2009年6月15日43PMDC-DCVoltageSourceRotatingPartStatorMAWHEGeneratorRotating-ArmatureACExciterRotatingDiode-Rectifier2009年6月15日44Rotatingarmatureexciter:1.brushless2.compactstructure3.lowexcitationrating4.costeffective5.applicabletohugewind-powergenerationPMDC-DCVoltageSourceRotatingPartStatorMAWHEGeneratorRotating-ArmatureACExciterRotatingDiode-Rectifier2009年6月15日45S.Huangetal,Co-controlalgorithmofMPPTandDC-Busvoltageappliedtohybrid-excitationWECS(InChinese),appliedforChineseInventionPatent,No:200810200814.4S.Huangetal,Wind-poweredgeneratingsystemwithmultiplearmature-windinghybrid-excitationgenerator(InChinese),appliedforChineseInventionPatent,No:200810032392.4Pat