1、2009年6月15日1新能源汽车永磁电机设计上海大学 黄苏融, 56335204, 138178981352009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
2、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
3、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+= 1.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TwTaR12Rw1Ra1C1C2I2R23C3I3C4I4R47R46R67R78C7C6C
4、8 R89TaR9aC9R35C5R59R19I5R34R24R15DEGPHIJMOI_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
5、衷平衡分析bn maxn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bn maxn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 adL aqL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
6、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250 500 750-250-500-750 0-750-500-2500250500750T=212NmT=100Nm9000rpm5500rpmA1A2T=310Nm/2009年6月15日14系统动态仿真程序定子电流控
7、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17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
8、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nn
9、aici*di*qi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
10、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RTI1234 5678(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。NNSSNNSSTORUS NN型结构TORUS NS型结构TORUS NN型无槽结构2009年6月15日30TORUS盘式车轮电机应用
