吉林大学学报(工学版) ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (6): 1862-1872.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20230968

• 车辆工程·机械工程 • 上一篇    下一篇

基于多软件联合的车用电机变工况多物理场仿真方法

贾美霞(),胡建军(),肖凤   

  1. 重庆大学 机械与运载工程学院,重庆 400044
  • 收稿日期:2023-09-11 出版日期:2025-06-01 发布日期:2025-07-23
  • 通讯作者: 胡建军 E-mail:jiameixia23@163.com;hujianjun@cqu.edu.cn
  • 作者简介:贾美霞(1982-),女,博士研究生.研究方向:新能源汽车电机设计及控制.E-mail:jiameixia23@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(52172364)

Multi⁃physics simulation method of vehicle motor under varying working conditions based on multi⁃software combination

Mei-xia JIA(),Jian-jun HU(),Feng XIAO   

  1. College of Mechanical and Vehicle Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China
  • Received:2023-09-11 Online:2025-06-01 Published:2025-07-23
  • Contact: Jian-jun HU E-mail:jiameixia23@163.com;hujianjun@cqu.edu.cn

摘要:

提出了一种基于多软件联合的车用电机变工况多物理场仿真方法,结合有限元及集总参数法可以实现有限元及变工况仿真的同时进行,从而使仿真过程更加接近实际工作过程。在分析电机温度场和电磁场的基础上,分解多物理场耦合的数学模型,利用Maxwell-Simplorer-Simulink建立了多软件联合仿真模型,并利用等效电流抽取方法对有限元模型进行降阶,大大提高了模型的运算速度。本文的联合仿真模型为完全耦合模型,可以实现不同软件模型之间的数据交互传递,从而实现电机在不同工况下的瞬态仿真。采用本文联合仿真方法,可以同时获得多个物理场的同步仿真,实现联合仿真模型的实时数据交互,避免非完全耦合模型模拟过程因不同步而产生的误差。最后,通过试验对电机输出转矩进行验证,模型与试验两者之间的转矩误差小于3%,证明了该多场耦合多软件联合仿真方法的有效性和准确性。

关键词: 车辆工程, 多物理场耦合, 等效电流抽取方法, 联合仿真模型

Abstract:

A multi software based multi physics simulation method for automotive motors under variable operating conditions was proposed. By combining finite element and lumped parameter methods, both finite element and variable operating condition simulations can be carried out simultaneously, making the simulation process closer to the actual working process. On the basis of analyzing the temperature field and electromagnetic field of the motor, a mathematical model coupling multiple physical fields was decomposed. A multi software joint simulation model was established using Maxwell Simplorer Simulink, and the finite element model was reduced using the equivalent current extraction method, greatly improving the computational speed of the model. The joint simulation model is a fully coupled model that can achieve data exchange and transmission between different software models, thereby realizing transient simulation of the motor under different operating conditions. By using the joint simulation method, synchronous simulations of multiple physical fields can be obtained simultaneously, enabling real-time data exchange of the joint simulation model and avoiding errors caused by asynchronous simulation of non fully coupled models. Finally, the output torque of the motor was verified through experiments, and the torque error between the model and the experiment was less than 3%, proving the effectiveness and accuracy of the multi field coupled multi software joint simulation method.

Key words: vehicle engineering, multi-physics coupling, equivalent current extraction method, joint simulation method

中图分类号: 

  • TM341

表1

电机参数"

参数参数
极对数4母线电压/V380
相数3永磁体材料N35UH_100
槽数42铁芯材料B35AV1900
额定转速/(r·min-13 000绕组材料
峰值功率/kW70峰值扭矩/(N·m)201
额定功率/kW25额定扭矩/(N·m)90

图1

硅钢片的铁耗"

图2

磁感应强度和矢量磁位的分布云图"

图3

不同温度下电机铁耗的分布云图"

表2

不同温度时的电磁参数最大值"

参数60 95 130
磁密/T2.631 02.625 12.618 6
磁矢位/(Wb·m-10.031 60.031 50.031 2
铁耗率/107 (Wb·m-11.561.571.58

图4

Maxwell-Simplorer-Simulink联合模型"

图5

转矩及转速对比"

图6

电机变工况瞬态数据"

图7

设计工况的铜损"

图8

设计工况的铁耗"

图9

2500 r/min时的电机电磁场分布"

图10

4 000 r/min时的电机电磁场分布"

图11

2 500 r/min时的电机损耗分布"

图12

4 000 r/min时的电机损耗分布"

图13

测试台架安装"

图14

转矩随温度的变化情况对比"

[1] Emma A, Torbjorn T, Joachim L, et al. Thermal capability of electric vehicle pmsm with different slot areas via thermal network analysis[J]. eTransportation, 2021, 8: No.100107.
[2] Boglietti A, Cavagnino A, Staton D, et al. Evolution and modern approaches for thermal analysis of electrical machines[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(3): 871-882.
[3] 寇宝泉, 赵晓坤, 张浩泉, 等. 永磁同步电机电磁结构及磁场调节技术的综述分析[J]. 中国电机工程学报, 2021, 41(20): 7126-7140.
Kou Bao-quan, Zhao Xiao-kun, Zhang Hao-quan, et al. Review and analysis of electromagnetic structure and magnetic field regulation technology of the permanent magnet synchronous motor[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(20): 7126-7140.
[4] 张洪亮. 永磁同步电机铁心损耗与暂态温度场研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学电力工程及自动化学院, 2010.
Zhang Hong-liang. Iron losses and transient temperature field of permanent magnetic synchronous motor[D]. Harbin:School of Power Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, 2010.
[5] 刘蕾, 刘光复, 刘马林, 等. 车用永磁同步电机三维温度场分析[J]. 中国机械工程, 2015, 26(11): 1438-1444.
Liu Lei, Liu Guang-fu, Liu Ma-lin, et al. Analysis on three-dimensional temperature field of permanent magnet synchronous motor in vehicles[J]. China Mechanical Engineering, 2015, 26(11): 1438-1444.
[6] Liu X, Yu H, Shi Z, et al. Electromagnetic-fluid-thermal field calculation and analysis of a permanent magnet linear motor[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 129: 802-811.
[7] 王礼恒, 庄明, 袁恺. 基于智能控制算法的高速电机功率转换系统设计[J]. 吉林大学学 报:工学版, 2022, 52(4): 934-941.
Wang Li-heng, Zhuang Ming, Yuan Kai. Design of high speed motor power conversion system based on intelligent control algorithm[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2022, 52(4): 934-941.
[8] 张厚升, 李震梅, 边敦新, 等. 电动汽车用三相开绕组永磁同步电机的控制及容错运行[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2020, 50(3): 784-795.
Zhang Hou-sheng, Li Zhen-mei, Bian Dun-xin,et al. Control and fault⁃tolerant operation of TPOW⁃PMSM for electric vehicle[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2020, 50(3): 784-795.
[9] 孙晓东, 张瑶, 陈龙. 电动汽车永磁同步轮毂电机无差拍预测电压补偿控制[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2022, 52(10): 2213-2224.
Sun Xiao-dong, Zhang Yao, Chen Long. Deadbeat predictive voltage compensation control for permanent magnet synchronous hub motors of electric vehicles[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2020, 52(10): 2213-2224.
[10] Ding X, Guo H, Xiong R, et al. A new strategy of efficiency enhancement for traction systems in electric vehicles[J]. Applied Energy, 2017, 205: 880-891.
[11] Guo Q, Zhang C, Li L, et al. Design and implementation of a loss optimization control for electric vehicle in-wheel permanent-magnet synchronous motor direct drive system[J]. Applied Energy, 2017, 204: 1317-1332.
[12] Viswanathan V, Seenithangom J. Commutation torque ripple reduction in the bldc motor using modified sepic and three-level npc inverter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(1): 535-546.
[13] 成传柏, 陈卫兵, 尹康, 等. 内埋式PMSM模糊PI超前角弱磁控制算法研究[J]. 计算机测量与控制, 2015, 23(2): 485-487.
Cheng Chuan-bai, Chen Wei-bing, Yin Kang, et al. A study of fuzzy pi leading angle flux-weaking control algorithm applied at interior permanent magnet synchronous motor[J]. Computer Measurement & Control, 2015, 23(2): 485-487.
[14] 乔振阳, 李丹丹, 杨娜, 等. 电工磁材料磁滞数学模型的研究综述[J]. 电工材料, 2020(1): 8-12.
Qiao Zhen-yang, Li Dan-dan, Yang Na, et al. A review of research on magnetic hysteresis mathematical model of magnetic materials in electrical engineering[J]. Electrical Engineering Materials, 2020(1): 8-12.
[1] 宋学伟,于泽平,肖阳,王德平,袁泉,李欣卓,郑迦文. 锂离子电池老化后性能变化研究进展[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(6): 1817-1833.
[2] 肖纯,易子淳,周炳寅,张少睿. 基于改进鸽群优化算法的燃料电池汽车模糊能量管理策略[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(6): 1873-1882.
[3] 卢荡,索艳茹,孙宇航,吴海东. 基于无量纲格式的轮胎侧倾侧偏力学特性预测[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(5): 1516-1524.
[4] 李伟东,马草原,史浩,曹衡. 基于分层强化学习的自动驾驶决策控制算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(5): 1798-1805.
[5] 张涛,林黄达,余中军. 混合动力车辆换挡的实时滚动优化控制方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(4): 1215-1224.
[6] 高镇海,郑程元,赵睿. 真实与虚拟场景下自动驾驶车辆的主动安全性验证与确认综述[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(4): 1142-1162.
[7] 卢荡,王晓凡,吴海东. TWEEL轮胎接地压力均布特性分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(3): 811-819.
[8] 曲俊龙,史文库,玄圣夷,陈志勇. 面向汽车传动系统多挡共振的多级吸振器参数设计方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(2): 444-455.
[9] 朱冰,范天昕,赵文博,李伟男,张培兴. 自动驾驶汽车连续测试场景复杂度评估方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(2): 456-467.
[10] 陈鑫,张祥源,武子涛,于贵申,杨立飞. 工艺顺序对车用铝薄板胶-PFSSW接头拉剪性能的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(2): 468-475.
[11] 王军年,曹宇靖,罗智仁,李凯旋,赵文伯,孟盈邑. 基于双目视觉的道路水深在线检测算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(1): 175-184.
[12] 谭草,任浩鑫,葛文庆,宋亚东,陆佳瑜. 直驱阀控液压振动平台改进自抗扰控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(1): 84-92.
[13] 胡宏宇,张争光,曲优,蔡沐雨,高菲,高镇海. 基于双分支和可变形卷积网络的驾驶员行为识别方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(1): 93-104.
[14] 李寿涛,杨路,屈如意,孙鹏鹏,于丁力. 基于模型预测控制的滑移率控制方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2024, 54(9): 2687-2696.
[15] 吴量,顾义凡,邢彪,马芳武,倪利伟,贾微微. 基于线性二次型调节器的四轮转向与分布式集成控制方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2024, 54(9): 2414-2422.
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[1] 王庆年,张缓缓,靳立强 .

四轮独立驱动电动车转向驱动的转矩协调控制

[J]. 吉林大学学报(工学版), 2007, 37(05): 985 -0989 .
[2] 邹乃威, 方泳龙, 王庆年, 刘金刚, 黄伟, 王伟 . 辅助制动对前驱车辆制动性能的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2009, 39(02): 291 -0295 .
[3] 宋现敏,王殿海,金盛. 感应式协调控制下绿信比优化方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2009, 39(增刊2): 154 -0157 .
[4] 张玉华,朱延河,赵杰,任宗伟. 模块化自重构机器人的设计和运动规划[J]. 吉林大学学报(工学版), 2007, 37(04): 925 -929 .
[5] 程光明,李晓韬,曾平,杨志刚 . 压电叠堆式惯性移动机构的设计与试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2007, 37(01): 85 -88 .
[6] 王德辉,尚广瑞,任露泉 . Cu-Zn合金仿生耦合亲水表面非线性数学模型[J]. 吉林大学学报(工学版), 2008, 38(01): 105 -109 .
[7] 张长胜,孙吉贵,崔妍,杨凤芹 . 一种基于PSO的分割聚类算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2008, 38(06): 1371 -1377 .
[8] 黄家才,石要武,陶建武,任河 . 扰动情况下极化圆阵的波达方向、频率和极化参数的联合估计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2007, 37(06): 1420 -1425 .
[9] 李川川,刘衍珩,田大新 . 基于序列模式的网络入侵检测系统[J]. 吉林大学学报(工学版), 2007, 37(01): 121 -125 .
[10] 赵博涵, 胡茂彬, 姜锐, 吴清松. 一个细化的元胞自动机模型中的加速度和随机慢化效应及其与同步流可能的联系[J]. 吉林大学学报(工学版), 2009, 39(增刊2): 97 -0102 .