日产聆风汽车电机案例教程

文章来源：安世亚太官方订阅号（搜索：peraglobal）本文以日产聆风无刷电机（BPM）为模型基于Motor-CAD进行仿真计算分别获得了单工作点的详细电磁和热性能结果，以及显示整个工作范围内性能的效率图。

一、电磁计算(1).几何输入Motor-CAD中的“Geometry”选项用于使用轴向和径向视图定义电机几何。

在电磁环境中，只显示电磁模型中所用到的参数，因此隐藏了一些机器部件（如外壳、安装等）。

在Geometry -> Radial，我们将定子的径向几何设置如下：编辑参数后，按Enter键或单击“Redraw”按钮以更新图形。

编辑表格时，绿色突出显示哪些值已更改。

我们通过更改以下参数来设置转子磁钢几何结构：请注意，要指定第二个磁钢的参数，需要将磁钢层数设置为2后重新绘制图表。

这里我们还定义了转子中的冷却管道，转子铁心中的管道会改变电机的电磁性能。

在“Geometry -> Axial”选项中，我们设置了电机的轴向尺寸：再次按下Enter 或者Redraw来更新设置。

“Geometry -> 3D”选项显示电机的3D视图。

组件透明度级别可以通过在组件列表中右键单击来设置。

取消选中列表中的复选框，还可以隐藏组件或组件组。

(2).绕组定义定义好了几何图形，使用绕组选项来定义定子槽内的导体和绝缘。

“Definition”选项用于定义和可视化带有绝缘、浸渍、槽绝缘和槽楔的导体的位置，使其易于测试和检查不同的绕组配置。

“Pattern”选项提供了与线圈连接的绕组布局的快速配置和可视化，以及对相量图、绕组系数和谐波含量的分析。

绕组型式在“Winding -> Pattern”下，设置以下内容：Motor-CAD将根据指定的节距自动生成最佳的绕组模式，如下所示：通过选择“Phasors”选项，我们可以检查各个相位之间的电角度是否为120°，长度是否相等。

谐波分析在winding->pattern下，我们可以在Harmonics和Factors选项下检查这些值。

导体定义导航到winding->definition选项。

槽中导线的数量由线圈定义和并绕的股数定义。

我们每个线圈有6匝，每匝一股并绕，所以我们有6 x 1 x 1=6个导体/现在使用以下设置定义导体，使用一个叠绕组，因为这个设计使用了分布式绕组提示：如果所需数量的导线无法安放到定义的槽中，则Conductors/Slot Drawn 将以红色突出显示。

(3).材料输入下一步是配置电机中使用的材料，特别是硅钢片和磁钢。

Motor-CAD提供了一个材料数据库，可以在“Input Data”->“Material database”下查看。

默认数据库包含许多常用材料的完整详细信息。

用户可以添加默认情况下未包含的任何材料的详细信息。

模型中当前使用的材质在界面中以黄色突出显示。

聆风电机采用30DH硅钢片，不包含在Motor-CAD提供的默认材料数据库中。

因此，我们必须根据制造商的规范将材料数据添加到数据库中。

要添加新材质，请单击“Add Solid”按钮。

在出现的对话框中，键入名称，将“Solid type”设置为“Steel”，然后单击“Add”。

新材料将添加到数据库中，并可以在字母列表中查看。

我们现在输入材质属性。

在“Physical”选项下，我们设置：电气特性配置在“Electrical”选项下。

在编辑值之前，我们检查是否在左侧列表中选择了新材料30DH。

我们可以使用Materials Filter仅显示钢材质，从而更容易定位和选择正确的材质。

硅钢片的导磁属性在Steel BH选项中配置。

在这里，我们将BH曲线数据输入到表中。

请注意，输入的数据的单位必须正确。

如果制造商以其他单位提供数据，则可以在输入Motor-CAD之前转换数据，也可以通过从主菜单中选择Defaults -> Units 来修改Motor-CAD中的默认单位，以允许使用其他单位输入数据。

对于这个例子，从文件30dh steel.xslx中复制B 和H值（不带标题行），然后使用“Insert Data Points”按钮或选择第一个数据单元并使用ctrl+v将数据粘贴到表中。

然后右侧的图形将更新以反映我们添加的数据。

Motor-CAD还可以估计出超出实验数据最大值的更多BH点。

选择“Enable Extrapolation”选项以启用此功能。

输入一个最大H值，该值将为模拟中的预期磁密值提供良好的安全裕度，并选择点数以提供一组良好的数据。

在这种情况下，以下值是适当的：现在单击“Extrapolate”，这些点将添加到图表和表中。

请注意，为了与实验数据区分，表中的外推值以蓝色显示，图中的垂直蓝色虚线表示实验数据的极限。

另外请注意，当启用外推时，无法编辑实验BH值。

现在Steel Losses下定义铁耗特性。

在Motor-CAD中，铁耗是基于损耗系数，采用Bertotti或改进的Steinmetz 计算的。

默认使用steinmetz方法；如果需要用户可以在Input Data -> Settings -> Losses选项下选择bertotti方法。

损耗系数可以手动输入到“Steel Properties”选项中，或者根据不同频率和磁密下的功率损耗密度实验值，通过Motor-CAD估算这些系数。

由于我们有30dh 的损耗数据，我们将在损耗选项下输入实验值。

再次从文件30dh steel.xlsx（频率、损耗密度和b值）中复制损耗数据。

在“Losses”选项下，使用“Insert Data Points”或选择表中的第一行并使用ctrl+v将数据粘贴到表中。

单击“Update Graph”以使用新数据更新图形。

现在我们将使用Motor-CAD从实验数据中计算损耗系数。

单击“Find Coefficients”按钮。

采用迭代曲线拟合方法，求出最适合数据的铁耗系数。

曲线拟合的进度显示在Motor-CAD窗口底部的状态栏中。

曲线拟合完成后，将在图表上显示额外的曲线，以使用计算的系数显示损失模型。

选择Update Database Values来将计算的系数存储到数据库中。

计算的系数可以在“Steel Properties”选项中看到。

注意，小回路磁滞损耗系数设置为0.65。

这是一个无法计算的经验值，在提取其他损失系数时被忽略。

默认值0.65是根据以前的研究选择的，用户可以编辑。

还要注意，由于计算的迭代性质，计算的系数可能会有微小的差异。

我们还需要规定硅钢片的厚度。

对于30DH，我们设置：这就完成了将新硅钢片材料添加到材料数据库的过程。

指定零部件材质现在，我们在“Input Data -> Materials “材料”选项下选择用于Motor-CAD模型中每个组件的材料。

我们使用材质下拉列表选择以下材质：铜和N30UH材料已在默认的Motor-CAD材料数据库中定义。

该表还显示了电磁设计中所有部件的计算重量。

我们可以检查总重量，以确保几何结构和材料设置正确。

(4).电磁分析Motor-CAD的电磁模块可以进行二维有限元分析和损耗计算，以获得电机的工作性能。

它还自动链接到Motor-CAD中的热模型，以便进行后续的热分析。

i. Motor-CAD中的有限元仿真“Calculation”选项用于选择要运行的工作条件和仿真。

在选项的左侧指定了测试的工作条件：轴转速、电流、相位超前（负载测试）和直流总线电压。

这里指定的电压用于从直流总线找到电机的可用电压。

在运行过程中，这将与电机所需的电压进行比较，如果电压不足，则会给出警告。

注意，Motor-CAD电磁模块不会将工作点限制在电压限制范围内。

它将发出警告，然后由用户修改操作点或增加直流总线电压。

绕组温度用于从尺寸和绕组结构计算绕组电阻。

磁铁温度根据材料数据库中的热系数确定磁铁的剩磁。

磁热耦合选项允许用户在Motor-CAD的电磁模块和热模块之间传输数据。

在电磁求解中计算的损耗可以传递给热模块，而从求解的热模型中计算的电机温度可以传递给电磁模块，以获得更精确的性能和损耗计算。

Motor-CAD可以迭代求解电磁和热模型，直到功率损耗和温度收敛。

还可以指定驱动方式、绕组连接、磁铁的磁化方向以及定子或转子偏斜。

设定以下运行条件：设置驱动器、绕组连接和磁化选项：此时，将使用磁铁和定子绕组温度的粗略估计。

这些温度会显著影响电机的性能，因此最好在此给出估计值。

其他组件的温度并不那么重要，所以将把它们保留在默认值。

可以使用这些值对电机性能进行良好的初步估计，然后根据热计算对模型进行改进。

设置以下内容：除反电动势、齿槽转矩和转矩计算外，所有性能测试都应禁用。

然后，通过单击“Solve E-Magnetic Model”按钮来运行模拟。

ii. 结果“E-Magnetics->FEA”选项显示了FEA几何体、网格和结果。

每个计算都会生成一个单独的结果文件。

通过从左侧窗格中的下拉列表中选择结果文件，可以查看每个计算的结果，如上面显示的那样。

可用的结果将取决于已运行的性能测试，以及更高级的模拟设置。

对于本例，我们有以下结果文件可供选择：从下拉列表中选择OnLoadTorque_result_1.mes以查看瞬态转矩计算的结果。

Shading选项允许选择FEA图上显示的数量，或者可以从Shading功能下拉列表中选择不同的数量。

选择“磁密”查看电机中的磁密。

对于瞬态仿真计算中的每个时间步，我们都有不同的磁密图。

我们可以通过从下拉菜单中选择时间或步骤号来查看特定时间步骤的结果，或者使用“Play all”按钮来查看随时间变化的动画。

也可以使用选项设置自定义绘图。

当鼠标悬停在绘图上时，状态栏中将显示有关鼠标光标下点的详细信息。

这包括区域名称、磁密、电密和区域面积。

输出数据表输出数据表提供了电机的详细信息，显示了Motor-CAD计算出的许多不同参数。

曲线图模拟产生的波形可以在“Graphs”选项卡中查看。

我们也可以检查图形下波形的Graphs -> Harmonics。

注意转矩波形中的6和12次谐波。

自定义图形除了“Graphs”选项中显示的图形外，许多其他数量在模拟过程中由Motor-CAD计算和保存。

在Help -> Graph Viewer，用户可以在其中查看这些图形。

多个系列可以绘制在一个图表上。

使用内置的图形编辑器Graph Editor，用户可以自定义图形，也可以复制数据以在外部应用程序中使用。

二、Motor-CAD Lab效率图和驱动循环分析Motor-CAD实验室模块允许我们快速准确地计算整个运行范围内的电机性能。

我们可以创建效率图，研究热约束运行包络，并分析复杂驱动循环的性能。