案例演示 | 基于Motor-CAD日产聆风汽车电机的多物理场仿真
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本文摘要（由AI生成）：
文章主要介绍了日产聆风电机的电机性能优化，基于Motor-CAD电机计算软件，对电机的电磁性能、热计算、整车运行模拟等方面进行了仿真计算。电磁计算部分包括铁心数据输入、绕组数据输入、材料赋值、运行工况和求解任务设置、电磁计算结果查看等步骤。温升计算部分包括模型设置、材料赋值、冷却型式设置、热源的设置、热交换系数参数设置、稳态温升的计算设置、计算查看等步骤。效率map图和路谱图计算部分包括设置电机效率map图和外特性的计算条件、计算结果、路谱图下的运行等步骤。
一、导读
随着油价不断攀升，能源与环保问题日益突出，国家通过汽车产业的调整或振兴规划，新能源汽车的研发受到越来越多的关注，新能源汽车无疑会成为未来汽车的发展方向。因此，新能源汽车技术一定会在将来发展的越来越好，其中的驱动技术就是电机性能的提高优化，这就要求电机必须拥有较大的调速范围、高效率运行区间占比高、功率密度大，散热性能好等优点。本文以日产聆风电机作为案例，基于Motor-CAD电机计算软件，对其主要的电磁性能、热计算、整车运行模拟等方面进行仿真计算。有重点地介绍其各个方面的计算步骤，便于了解整个计算流程体系。二、电磁建模与计算
打开软件，选择电机类型为BPM，模块类型是电磁模块，在电机横截面几何模型编辑界面包含了定子铁心、定子齿槽、转子铁心、永磁体、冷却道等部件的横截面几何信息。具体设置如下图1所示。图2是轴向编辑面的设置，主要是轴向方向的设置，包括铁长度、磁钢分段数等数据。
图1径向编辑界面数据输入
图2轴向编辑界面数据输入
在绕组设置中主要是输入绕组的排列型式、绕组的匝数、绕组并联支路数、线规、并绕根数、绝缘厚度等数据。还可以查看绕组的谐波组成、绕组系数等数据。图3是绕组型式编辑界面，图4是线规的编辑界面。
在计算前期需要对电机进行材料赋值，不同部件需要指定不同的相应的材料。Motor-CAD提供了一个材料数据库，用户可根据自身需求在数据库中选取相应材料，材料属性信息包含了磁化性能、电阻率、温度影响系数、密度等内容。具体设置如下图5所示。
当然用户如果有自己的材料也可以添加进去材料库，具体添加可以另外查看相关文档。在Motor-CAD求解设置中可对转速、电源驱动、绕组接线型式、永磁体充磁类型、各部件求解温度、电磁热耦合迭代类型、斜槽情况等属性进行相关数据设置；同时也可对求解参数进行定义，包括电机空载时候恒速旋转时的反电势、齿槽转矩、电磁力计算；还可以计算负载时的转矩、转矩转速曲线、磁钢的退磁情况、负载时的电磁力计算；电机绕组自感及互感参数计算等电磁相关的数据求解。
图6 运行工况和求解任务设置
计算完毕之后就可以进行结果查看，该计算包含了磁密云图、磁力线分布图，损耗分布云图、电密等分布图，如图7所示。同时还可以查看工况运行下的输出数据，主要包括电源驱动数据、电磁计算性能参数、电机矢量图、损耗表、绕组计算结果等数据表如图8所示。最后还可以观看各个数据的波形，比如电流、节点电压、反电势、转矩、磁链以及各波形的谐波分析，如图9所示。
图9计算结果波形
三、温升计算
不同于电磁计算模块的设置，温升的计算模型要考虑机壳、水道、风扇、风罩等结构部件的影响。在径向与轴向的界面编辑相关模型数据，具体设置如图10所示。在这里设置为螺旋水道Water Jacket (Spiral)，通过箭头来观察水流的方向。
2、材料赋值
如下图11是电机的材料赋值，这里主要设置电机的各个构件的热计算属性。包括导热系数、比热容等数据。
如图12是电机内外冷却方式的设置，在这里我们设置的是外面是对流散热，里面是水冷。图13是电机的水冷的参数设置，主要包括水流的大小、入口温度以及冷却液的类型，这里设为乙二醇和水的混合液。
图13电机的水冷的参数设置
由于电机温升计算首先就是要考虑到损耗的输入，不同的损耗自然出现不同的计算结果。本文以电机的稳态工况计算和单一瞬态工况计算温升。损耗大小设置如图14所示。
在Motor-CAD计算温升的时候，考虑到了电机在制作过程中的工艺参数的影响。因此可以计算结果更为精确。根据其20多年的计算经验，为用户提供了一系列的数据可以参考。主要是铁心和机壳的间隙、磁钢与转子铁心的第二气隙的设置，如图15。
图15 热交换系数等参数设置
6、稳态温升的计算设置
7、计算查看
在温度选项下可以查看计算的结果，在图17所示的等效热路中，可以知道每个部件的发热量大小，温升变化情况。在图18中可以查看径向界面的温度分布，在图19中可以查看轴向方面的温度分布。在图20中是一个槽的温度分布云图。
在图21中可以看到计算数据表格，在表格中我们可以看到每个部件的平均温度、最高温度、最低温度；同时软件可以自动计算每个部件之间的换热系数等数据。
软件可以计算电机在某个工况下在一段时间内的温升随着时间的变化情况，计算设置如图23所示。求解设置为图24所示。
求解完之后可以得到如图25所示的结果曲线，该曲线表示了温升随着时间的变化情况。
图25温升随着时间的变化情况
四、效率map图和路谱图计算
该模块充分考虑了电机在新能源汽车上的运行状况，在这个情况下，软件可以计算在整个调速范围内的运行效率的表现，以及统计电机的高效区占比，评估电机的性能；另一方面还可以评估电机的外特性曲线、计算路谱图下的电机性能、工作点的电流、相角等参数。转换到电机的lab模块，然后建立电机lab模块的模型。具体设置如图26所示。
在这个选项下可设置电机的运行工况，包括电机的调速范围、运行状态、电机控制策略、母线电压、逆变调制比、机械损耗和铁耗调整系数等参数。图27即为所示。
图28是效率map图的计算结果，可以看到电机在整个调速区间的运行效率。图29是电机在目前电压情况下的电机的运行外特性曲线，展示了电机在整个调速区间的转矩随着转速的变化情况。
软件可以计算电机装在车上，随不同的路谱图运行时候的性能表现，图30是在US06路谱情况下的计算设置，图31是电机在这个路谱情况下的计算结果。图32是路谱工况运行下工作点在效率map图中的投影。可以以此知道电机的工作性能变现。
五、写在最后
本文以一台聆风汽车电机为案例，简单介绍了Motor-CAD多物理场设计软件在电动汽车中的应用，包含了几何建模、电磁性能计算、冷却分析、Motor-LAB虚拟实验室等三大部分的使用方法。为电机的快速设计和前期选型有很大帮助，可以缩短计算周期，提高研发的效率。
作者：友朋，仿真秀专栏作者
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