车用关键部件设计与工程应用-传感器、作动器及无线充电课件.pptx

1、 2015 ANSYS,Inc.1June 5,2015Realize Your Product Promise车用关键部件设计与工程应用车用关键部件设计与工程应用传感器、做动器及无线充电传感器、做动器及无线充电2 2012 ANSYS,Inc.2June 5,2015EV/HEV中传感器应用中传感器应用 2015 ANSYS,Inc.3June 5,2015EQUDifference:=FLUXM2.FLUX-FLUXM1.FLUXFLXFLUXM1FLXFLUXM2CONSTCOMP1ECEICA:Link1.GAP:=3wROT+ROT_VCONST2Maxwell EMSSLink13

2、DHall传感器Difference电涡流传感器Voc=Idriver N1N2(Ldpu1 Ldpu2)电磁传感器仿真分析电磁传感器仿真分析变磁阻传感器系统模型输出电压 2015 ANSYS,Inc.4June 5,2015气隙与齿轮位置优化设计传感器输出信号与转角的关系分析 速度控制 外形参数优化设计 信号随气隙变化而变化永磁材料磁极Hall传感器集成芯片Hall传感器传感器 2015 ANSYS,Inc.5June 5,2015Hall传感器传感器 Hall传感器磁通可通过对B积分得到集成芯片场分布永磁材料及磁极磁场分布Pole Piece6永磁体Cell TopCell Bot 201

3、5 ANSYS,Inc.Hall芯片June 5,2015?ave=BxdAcell_face?diff =?ave1?ave2差分信号检测差分信号检测对芯片与气隙间的位置进行分析Target Wheel 2015 ANSYS,Inc.7June 5,2015参数化仿真分析结果参数化仿真分析结果 平均磁通和距离的关系 距离=1,2,以及3mm 2015 ANSYS,Inc.8June 5,2015ICA:Link1.GAP:=3EQUDifference:=FLUXM2.FLUX-FLUXM1.FLUXFLXFLUXM1FLXFLUXM2CONSTCONST2COMP1ECEROTROT_Vw

4、+Maxwell EMSSLink13DDifference 比较差分信号与保持信号的关系 高电压输出表示检测到齿部使用ECE模型与Simplorer 进行关联系统仿真分析模型系统仿真分析模型CurveInfoYAxisFLUXM1.FLUXTRY1FLUXM2.FLUXTRY1DifferenceTRY2COMP1.VALTRY2Flux vsY2 2015 ANSYS,Inc.9June 5,20150.00100.00200.00400.00500.00600.00300.00Time ms0.000.0000系统仿真分析模型系统仿真分析模型 距离=3mm 差分信号过小无法检测0.120

5、.00500.100.00400.080.00300.060.00200.040.00100.02CurveInfoYAxisFLUXM1.FLUXTRY1FLUXM2.FLUXTRY1DifferenceTRY2TRY2Flux vsY2 2015 ANSYS,Inc.10June 5,20150.00100.00200.00400.00500.00600.00300.00Time ms0.000.050.100.140.000.050.030.030.070.130.080.100.150.200.130.170.21系统仿真分析模型系统仿真分析模型 距离=1mm 差分信号可正常被检测 2

6、015 ANSYS,Inc.11June 5,2015磁通随着位置变化12 2012 ANSYS,Inc.12June 5,2015EV/HEV中做动器应用中做动器应用 2015 ANSYS,Inc.13June 5,2015FluentSimplorer系统集成系统集成Mechanical结构结构/强度强度SCADE嵌入式代码嵌入式代码模型提取模型提取协同仿真协同仿真Maxwell电磁电磁CAD集成集成鲁棒性设计鲁棒性设计流体流体CAD集成集成鲁棒性设计鲁棒性设计集成化设计流程集成化设计流程 2015 ANSYS,Inc.14June 5,2015典型应用：做动器电磁优化设计典型应用：做动器

7、电磁优化设计 项目背景项目背景 这个项目是ANSYS和TRW合作完成，主要采用ANSYS做动器设计解决方案和流程帮助客户设计和优化产品，包括形状，体积，作用力，闭合时间，以及系统性能等。项目挑战项目挑战如何精确预测做动器的瞬态电磁特性，并优化其形状、材料、绕组等，满足电磁力要求的同时最大限度减小闭合时间和体积、成本，至关重要。解决方案解决方案基于ANSYS设计流程，采用Maxwell实现做动器瞬态优化设计，结合Mechanical实现电磁、热、结构耦合设计；结合Fluent实现流体负载力计算；结合Simplorer和Fluent实现系统设计。重要价值重要价值正如TRW的工程师Dave Coll

8、ins所言，ANSYS解决方案可以帮助客户全面、深入地研究设计参数对做动器瞬态电磁特性的相互影响，便捷地优选出最佳性价比的设计方案，精确预测产品电磁、热、结构、控制性能，缩短研发周期、提高产品竞争力。“TRW uses simulation to shorten thedesign process and improveperformance of our devices.”缩短研发周期，提高产品性能-Dave Collins,TRW 2015 ANSYS,Inc.15June 5,2015做动器电磁优化结果做动器电磁优化结果 通过优化分析找到最短的关断时间Cost 2015 ANSYS,In

9、c.16June 5,2015做动器电磁优化结果做动器电磁优化结果 通过优化分析找到最优的作用力曲线Iteration 2015 ANSYS,Inc.17June 5,2015典型应用：做动器电磁、热、流体耦合设计典型应用：做动器电磁、热、流体耦合设计 项目背景项目背景这个项目是ANSYS和Nass Magnet合作完成，主要采用ANSYS做动器设计流程帮助客户实现电磁优化设计，高效热分析，系统性能预测等。项目挑战项目挑战做动器/电磁阀的设计难题除了电磁优化设计外，还有多物理域耦合设计问题。如何在有限的研发时间内，高效、便捷地预测做动器的热性能和系统性能，至关重要。解决方案解决方案基于ANSY

10、S设计流程，采用Maxwell实现做动器优化设计，结合Fluent精确计算散热系数，并用于Mechanical电磁、热耦合分析，实现便捷、高效、精确的电磁、热耦合分析；结合Fluent和Simplorer协同仿真，实现高精度系统设计。重要价值重要价值ANSYS解决方案既可帮助客户便捷地优化瞬态电磁性能，又可实现全面的多物理域耦合分析，还可根据客户不同设计阶段的具体需求探索最佳的设计方法和流程，精确预测产品性能的同时，缩短研发周期、提高产品竞争力。对流系数通过对流系数通过Fluent计算计算理想对流系数理想对流系数 2015 ANSYS,Inc.18June 5,2015做动器电磁、热分析结果对

11、比做动器电磁、热分析结果对比Outside TemperatureInside Temperature过热区域过热区域 70 oC过热区域过热区域 81 oC过热区域过热区域 65 oC过热区域过热区域 72 oC 2015 ANSYS,Inc.19June 5,2015典型应用：做动器偏移侧向力分析典型应用：做动器偏移侧向力分析 电磁力与X轴偏移量关系曲线左侧位置X 偏移=+0.003 英寸气隙=0.15 英寸中间位置X 偏移=0.0 英寸气隙=0.15 英寸右侧位置X 偏移=-0.003 英寸气隙=0.15 英寸20June 5,2015典型应用：做动器倾斜侧向力分析典型应用：做动器倾斜侧

12、向力分析 电磁力与气隙偏心关系曲线偏心-0.5度 2015 ANSYS,Inc.偏心-0度偏心+0.5度 2015 ANSYS,Inc.21June 5,2015典型应用：做动器集成化系统设计典型应用：做动器集成化系统设计Maxwell系统仿真系统仿真FLUENT协同仿真协同仿真Simplorer 系统仿真电路系统仿真电路22 2012 ANSYS,Inc.22June 5,2015EV/HEV中无线充电应用中无线充电应用Efficiency微波式Transfer Distance 2015 ANSYS,Inc.23June 5,2015EV/HEV中无线充电应用中无线充电应用磁感应式磁感应式

13、1mm1cm 10cm10m100%0%谐振式感应式(15W)感应式(50kW)Ref:EE Times Japan 2009.10电磁场电磁场50%系统设计系统设计ACPowerInverterCable1mCapacitor100mPrimary CoilSecondary CoilBatteryRectifier/Charger 2015 ANSYS,Inc.24June 5,2015汽车无线充电装置汽车无线充电装置Gap meterB(tesla)2015 ANSYS,Inc.25June 5,20150.00100.00300.00400.00200.00H(A_per_meter)

14、0.000.200.100.300.500.60Maxwell静磁场分析静磁场分析铁心饱和铁心饱和Cores BH curve,Mag_B field plotNo magnetic saturationNonlinear BH curve0.0020.0040.0060.0080.00100.00Current A0.001.000.10ANSOFT0.0000e+0000.010.405.7000e+0031.7100e+0041.1400e+0042D_Static_BHMatrix1.L(CnH3.4200e+0042.8500e+0042.2800e+004Mutual Induct

15、ance L12Specification Area 最大磁密分布在材料的线性区域，可将材料等效为线性磁性材料。Matrix1.CplCoef(Current_1,Current_2)2015 ANSYS,Inc.26June 5,2015静态磁场分析静态磁场分析电抗：L,M耦合系数：k电磁场铁心饱和Coupling factor k sliding gap0.0020.0040.0060.0080.00100.00120.00140.00160.00Sliding mm0.800.603D_Static_sliding_kCoupling-kANSOFT1.00Curve InfoMatri

16、x1.CplCoef(Current_1,Current_2)Setup1:LastAdaptiveGap=50mmMatrix1.CplCoef(Current_1,Current_2)Setup1:LastAdaptiveGap=100mmMatrix1.CplCoef(Current_1,Current_2)Setup1:LastAdaptiveGap=150mmMatrix1.CplCoef(Current_1,Current_2)Setup1:LastAdaptiveGap=200mm0.40Mag B0.200.00铁心形状/材料线圈匝数电流大小气隙 2015 ANSYS,Inc.

17、27June 5,2015涡流磁场分析涡流磁场分析交流特性：电抗：L,M耦合系数：k磁场铁心磁滞效应铁心磁滞效应屏蔽屏蔽屏蔽材料(Aluminum)铁心形状/材料线圈匝数频率气隙屏蔽形状屏蔽形状/材料材料铁芯(Power Ferrite)没有屏蔽有屏蔽 2015 ANSYS,Inc.28June 5,2015L1 MM L2k=0.54L1磁场分析：参数抽取磁场分析：参数抽取L,M,k:自感互感耦合系数L2M 2015 ANSYS,Inc.29June 5,2015频域求解频域求解 涡流场求解器计算阻抗矩阵,同时包含电阻和电抗；计算的电阻是交流电阻，包含直流分量+集肤效应和临近效应引起的附加电

18、阻。2015 ANSYS,Inc.30June 5,2015Maxwell参数化分析参数化分析 2015 ANSYS,Inc.31June 5,2015无线充电系统仿真无线充电系统仿真AC200VRectifyInverterWireless Power TransformerBatteryController屏蔽板 2015 ANSYS,Inc.32June 5,2015线圈原边线圈控制电路和场路耦合控制电路和场路耦合20kW 400V/20kHz降阶模型(ROM)铁芯副边线圈 2015 ANSYS,Inc.33June 5,2015ROM在系统仿真中的应用在系统仿真中的应用AC/频域TR/

19、时域 2015 ANSYS,Inc.34June 5,2015气隙仿真流程仿真流程偏移电路/系统仿真(AC/TR)电路/驱动控制设计 波形、效率、功率因数等磁场求解器磁场求解器+电路电路/系统仿真器系统仿真器静磁场铁芯、绕组涡流场阻抗模型瞬态场场分布、损耗效率%2015 ANSYS,Inc.35June 5,2015效率效率Map图图 输出功率/输入功率 计算 每种工况下的耦合电容90%50%20%100%P outP in=P=VI cos偏移 mm气隙 mm气隙偏移Max.96%2015 ANSYS,Inc.36June 5,2015设计优化设计优化:比较不同方案之间比较不同方案之间盘式线

20、圈螺线管式线圈 2015 ANSYS,Inc.37June 5,2015效率随偏移大小的变化计算效率随偏移大小的变化计算 同一个线圈间距 螺线管式线圈比盘式线圈效率更高Gap 2015 ANSYS,Inc.38June 5,2015效率随线圈间距大小计算效率随线圈间距大小计算 无偏移 螺线管式线圈传输效率更高 2015 ANSYS,Inc.39June 5,2015ROM在系统级仿真的应用案例在系统级仿真的应用案例AC400VRectifyInverterWireless Power TransformerBatteryControllerMag_B mTesla 2015 ANSYS,Inc

21、.40June 5,2015系统仿真结果返回磁场计算系统仿真结果返回磁场计算0.000.200.400.600.801.00Distance meter1.0010.002D_EddyXY Plot 1ANSOFTCurve InfoMag_BSetup1:LastAdaptiveFreq=20kHz Phase=0deg0.100.010.00Distance0.00磁场强度Distance磁密云图41磁滞损耗 2015 ANSYS,Inc.June 5,2015Freq kHz120.0000000.3131443D_EddyCore2nd_LossSetup1:LastAdaptiveP

22、hase=0degCore LossCore1st_LossSetup1:LastAdaptivePhase=0degANSOFT0.909102Core lossW铁心磁滞效应计算铁心磁滞效应计算考虑介质损耗角=j=(1 jtan)PrimarySecondary 2015 ANSYS,Inc.42June 5,2015涡流损耗计算涡流损耗计算关键技术:阻抗边界条件原边表面损耗副边表面损耗Freq kHzSetup1:LastAdaptivePhase=0degSetup1:LastAdaptivePhase=0deg120.00000022.93867537.8865833D_EddySh

23、ield2nd_LossShield LossShield1st_LossANSOFT屏蔽损耗W 2015 ANSYS,Inc.43June 5,2015电磁辐射电磁辐射:近场近场 远场耦合远场耦合 2015 ANSYS,Inc.44充电盘有铝罐杂物June 5,2015温度分布(Max.25 degree)多物理场耦合多物理场耦合:电磁场电磁场 温度场温度场 案例:停车时的无线充电研究ANSYS Workbench电磁 2015 ANSYS,Inc.45June 5,2015Maxwell中线圈电导率随温度的变化中线圈电导率随温度的变化1(1+0.0039*(Temp22)=2015 ANS

24、YS,Inc.46June 5,2015损耗密度分布损耗密度分布铁芯损耗铜耗 2015 ANSYS,Inc.47June 5,2015Worbench耦合耦合 简单的拖拽式操作 电磁场和温度场双向耦合 2015 ANSYS,Inc.48June 5,2015温度分布温度分布 2015 ANSYS,Inc.49June 5,2015双向耦合计算温度双向耦合计算温度基于反馈的温度分布，Maxwell重新计算损耗；上述损耗反馈回到温度场中重新计算温度分布；经过多次迭代，直到温度分布区域稳定。2015 ANSYS,Inc.50June 5,2015结论结论 ANSYS电磁场和系统仿真耦合仿真技术可以轻松便捷地实现EV/HEV的传感器、做动器以及无线充电设计问题；ANSYS多域耦合仿真技术，可以解决传感器、做动器以及无线充电设计中电磁场、结构以及温度场的单/双向耦合问题。51谢谢大家！谢谢大家！