1?前言

當我們需要將設備集成到生活環境中，并通過物聯網（IoT）控制它們時，由于電力的可用性、高效率和功率密度，電驅動成為自然的選擇。但與此同時我們必須滿足安全、噪音、振動、和排放方面等的標準，以及效率和功率密度等監管要求。這些指標往往都是互相影響并且受系統限制。為了滿足這些要求，我們必須將系統視為一個整體。因此如何能夠高效地創建電機的系統模型，并方便地在系統中使用這成為非常重要的話題。

汽車電驅動系統是一個很好的例子。我們希望從電池和燃料中獲得更多里程，并且減小振動噪聲。為簡單起見，我們先僅考慮有電機和控制器。

對于該問題，傳統方法是將不同的結構分割，然后再分領域地進行設計仿真分析。不同的仿真分析之間相互獨立。系統級集成往往在后期階段完成。

或者，可以采用多物理場聯合仿真的方法，我們會創建二維或者三維模型，采用有限元方法進行仿真分析，這些模型相對精度較高，但是其求解過程往往需要消耗大量的時間和計算資源。

如果更進一步，我們可以采用集成化的方式進行系統級的設計仿真，同時兼顧電機的性能。在系統級采用一維模型，設計空間或者實時仿真。在部件級采用一維、二維和三維模型的混合模型。同時將整個過程做得更加自動化、接口更加方便，以同時方便設計工程師和仿真工程師來使用。

在其中，一維系統仿真往往都會采用Simcenter Amesim來搭建。這時候如何快速準確高效地創建系統仿真所需的子系統系統模型就顯得十分關鍵。

2 Simcenter Motorsolve及Motorsolve降階模型生成器

電機設計和仿真工具Simcenter Motorsolve就提供了這樣的功能，幫助用戶快速獲得不同復雜程度的電機一維系統仿真模型。

Simcenter Motorsolve是一個基于有限元分析和模板的電機和發電機設計、仿真和分析軟件。它是一個一流的工具，幫助自動模型設置來進行快速和準確的設計探索、分析。由于是采用電磁場有限元分析方法，SimcenterMotorsolve在不同的保真水平上提供基于FEA的結果，包括：半解析、DQ分析/AC分析、PWM分析、瞬態和運動分析。它允許用戶導入自己的模板，同時支持非線性材料建模分析和材料退磁性能分析能力。

同時，Simcenter Motorsolve提供了豐富的接口，方便與系統仿真，控制模型，實時仿真，電路仿真等模型系統進行接口。

下面以Simcenter Amesim為例介紹Simcenter Motorsolve的導出接口。在 Simcenter Motorsolve 導出 Simcenter Amesim 電機模型可以包括幾種不同精度的模型。

1）EMDTMF01模型是使用簡化參數表征的平均值模型，可以從 MotorSolve 效率圖中導出。它主要用于系統初始設計或驗證階段。

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導出的EMDTMF01模型注意包括三個數據文件.

·最大扭矩數據文件

·最小扭矩數據文件

·損耗數據文件

2）EMDPMSM01模型是使用等效電路對同步電機進行建模的線性模型。它從電機解決方案集總參數分析中導出。

導出的 EMDPMSM01 模型包括以下參數.

·定子電阻

?· D軸電感

?· Q軸電感

·永磁磁通量

3）EMDPMSM12 模型是一個非線性模型，它使用 dq 磁鏈作為 dq 電流的函數來表示電機行為。該模型可用于分析永磁同步電機（PMSM）的電磁動力學。它排除了空間效應，但考慮了鐵心損耗。此導出可在具有非線性模型類型的MotorsolvePWM 分析中找到。



導出的 EMDPMSM12 模型包括三個數據文件。

· D軸磁鏈數據文件

· Q軸磁鏈數據文件

·損耗數據文件

4）EMD3PCOEN01模型是一個非線性模型，它考慮了由于磁飽和和空間效應（如開槽）導致的所有非線性。它是4個導出中最精確的模型，可用于模擬任何磁阻或永磁同步電機（PMSM）。此導出可在具有非線性模型類型的MotorsolvePWM 分析中找到。

導出的 EMD3PCOEN01 型號包括三個數據文件。

· D軸磁鏈數據文件

· Q軸磁鏈數據文件

·扭矩數據文件

下圖中給出的同一個電機模型，采用不同方式導出后，在Amesim系統仿真中體現出的不同的動態特性。

3 Simcenter Motorsolve生成一維系統模型應用案例：

下面我們以某驅動電機為例介紹Simcenter Motorsolve生成一維系統模型的過程及應用。

在Motorsolve中通過模板化的輸入創建電機幾何模型。包括電機的定轉子幾何拓撲，極數槽數等，通過參數輸入，軟件自動創建電機有限元仿真幾何模型。根據不同的結構區域，可以設置不同的材料參數，包括鐵心材料的磁滯曲線以及永磁體的退磁等。

在繞組定義界面根據實際模型進行導入的定義，包括驅動方式，槽內設計，線號線徑等。

完成定義后，可以在軟件中預設的結果查看分析中查看各類不同的結果。如果有相關測試數據可以對模型進行標定，以保證電機模型的準確性。

完成標定后，本例中展示Motorsolve與Simulink的接口。Motorsolve可以直接導出Simulink的模型文件，并在Simulink中進行使用。

在此，將對比驗證結果進行展示。分別展示了采用Motorsolve直接計算，Motorsolve導出一維系統模型后在Simulink中進行計算的結果。可以看到相電壓、相電流以及轉矩輸出完全一致。

4??Simcenter Motorsolve系統模型生成典型應用場景

·在沒有物理電機/原型的情況下測試實時控制器

√ 控制策略: SIL, HIL 及 PHIL

√?硬件(DSPs, ECUs, 電源轉換器等)

·通過功率放大器模擬 PHIL 中的全功率電機

√?靈活且經濟高效地測試電源轉換器、電驅動器等

√?沒有旋轉測功機和相關成本：功率限制，安全，標準和防護罩

√?減少“虛擬電機”轉換時間

·在系統級別測試子系統的兼容性和互換性

√?由于電機類型不同而導致的性能變化

√?能量和熱管理， ...

·瞬態分析（例如啟動、響應、故障分析等）

√?沒有物理限制，例如SIL設計和測試中的電源

√?電驅動系統級瞬態/動態性能

5?總結

采用Simcenter Motorsolve進行電機一維系統模型的創建支持廣泛的導出接口：Amesim, Flomaster, System Vision, XpeditionAMS, Simulink, Opal-RT, VHDL-AMS等，同時支持硬件在環電機仿真。可以帶來下面的便利性。

√?方便模型共享：采用系統模型可以隱藏一些詳細設計信息

√?經濟高效：采用Simcenter Motorsolve具備有限元分析的準確性，不會像傳統有限元分析那樣計算量大造成成本損失

√?操作自動化，導出方便：更易于為設計人員生成

審核編輯：劉清