高端装备协同创新服务平台

（一）技术背景

伴随我国“全国电机能效提升计划”的实施，高效电动机的市场占有率稳步提升，与发达国家在存量电动机效率方面的差距大为缩小，电机产品效率比国外先进水平仅低2%～3%。但由于电机生产企业、配套机械制造企业和电机的最终用户普遍缺乏推进电机系统节能意识和手段，不具备按照实际运行负荷条件优化设计电机及系统的条件，导致我国电机系统的实际运行效率比国外先进水平低10%～20%。解决电机系统节能问题，对于提高企业经济效益和保护环境等方面均有重要的意义，是实现节能减排目标的重要途径。

（二）技术优势

动力传动应用技术研究所依托清华大学电机工程与应用电子技术系、电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室，在电机系统节能设计仿真服务领域获得了一批技术创新成果。如：

1.稀土永磁同步电机——永磁同步电机电磁场与温度场设计仿真

永磁同步电机采用稀土永磁作为转子的励磁材料，从结构上消除了转子的能量消耗，电机的能效比异步感应电机平均提高5-10个百分点，功率因数提高10-15个百分点，同功率替换后带来的节能效果平均达到 10%以上。在实际加工生产之前进行永磁同步电机电磁场与温度场设计仿真（如图3.2.1所示）,具有如下优点：

1)性能提升，包括满足国家标准或是国际标准、降低能源使用（减少资源利用，改进材料等）；

2)防止失败，稀土能源紧缺，减少开发阶段费用。

图3.2.1 永磁同步电机电磁场（左）与温度场设计仿真（右）

2.变频调速永磁同步电动(PMSM)机——无位置传感器矢量控制

通过软件仿真、模型计算、实验验证等途径，实现对变频调速永磁同步电动(PMSM)机无位置传感器矢量控制软件的开发，形成具有自主知识产权的变频调速永磁同步电动机无位置传感器矢量控制软件，并可以移植在多种控制芯片上。重点解决低速段的转子位置观测精度，低速转矩补偿等问题，帮助企业实现产品中国外控制软件的优化替代。

图3.2.2 软件主要功能流程图

图3.2.3 全局斩波PFC波形图

电机系统设计仿真服务针对工业领域使用的中小型电机系统，研究电机、负载、调速控制系统的合理匹配、优化设计及节能控制等技术，开发内反馈调速电机及系统、双馈电机节能控制装置、相控节能控制装置、电机系统能效分析及管理软件等，实现电机系统控制、传感、驱动等功能的集成设计制造，满足不同工况及负载特性的需求。

（三）效果指标

根据提供的电机设计指标完成方案选型、电磁设计和虚拟试验流程（如图3.3.1所示），通过虚拟试验平台模拟电机性能测试试验和故障检测试验，如起动过程、额定运行、过载运行、负载突变运行以及堵转试验、三相短路试验等，当主要性能指标、气隙磁密波形、转速--时间曲线、电流--时间曲线、磁密显示、性能MAP图、电磁力频谱、稳态温升、热流密度和空间力波分析测试结果符合设计要求时，输出设计报告及电机定转子尺寸、绕组展图、电机材料等数据，以确保产品运行可靠性，开发出电机产品。

图3.3.1 电机系统设计仿真服务流程图

（四）案例详述

电机设计需要获取包含电机工作电压，输出功率（转速转矩）、体积要求（安装尺寸等）、工作制、使用环境等的电机设计指标，例如设计功率1500kW，转速750-1500r/min 感应式电磁耦合调速器。

1.电机设计分析

根据设计指标和应用场合通过磁路法完成电磁方案的初步设计，借助参数化设计功能完成方案优化。再通过电磁场有限元准确分析电机磁场分布、磁场谐波、绕组电感、漏磁系数等电磁参数，进一步优化磁路结构。

（1）磁路法设计

在磁路设计中输入电机定转子冲片、绕组形式、磁钢、材料以及工作状況等电机设计数据，计算电机的相应性能，还可以选择驱动电路的形式，进行考虑驱动电路特性的电机性能快速计算（如图3.4.1所示）。

 

图3.4.1 磁路法设计

（2）电磁场分析

通过有限元仿真软件能自动完成基于专家知识的网格剖分，并生成可直接求解的静磁场模型（如图3.4.2所示），同时支持冲片结构的自定义修改。

图3.4.2 电磁场分析模型

用户无需学习复杂的有限元电磁场分析技术，便可快速计算分析电机的静态电磁特性（如图3.4.3所示），如气隙磁密、漏磁系数、电感磁链等。

图3.4.3 气隙磁密波形（左）及磁钢退磁分析（右）

2.虚拟样机测试

通过电机虚拟试验平台，用户无需制作样机，就能够对电机的实际工况进行各种试验（如图3.4.4所示）。针对不同的电机类型，可以通过磁路法结果自动生成可求解的虚拟试验模型进行空载试验、负载试验、堵转试验、突加或突卸负载及三相短路等各种状态下的电机性能测试试验，从而精确预测电机性能，分析试验中难以获得的参数。

图3.4.4 虚拟样机测试

3.机电系统协同仿真

机电系统协同仿真应用于电机、控制器与机械负载在复杂应用场合的分析，用于解决电机驱动系统或伺服机构仿真分析，生成电机集中参数模型、多回路模型和有限元联合仿真模型。通过机电系统协同仿真（如图3.4.5所示）接口完成电机、控制器、机构的多物理场协同仿真，解决电机系统优化问题。

图3.4.5 机电系统协同仿真

获取设计报告，确定电机定转子尺寸、绕组展图、电机材料等数据，成功研发功率1500kW，转速750-1500r/min 感应式电磁耦合调速器。如图3.4.6所示。

图3.4.6 感应式电磁耦合调速器

（五）适用对象

1.技术咨询

针对客户在技术研究、产品开发设计过程中的具体技术问题和工作，提供相应的解决方案或技术服务，包括：技术指标优化、技术问题分析、项目需求评估、特殊/难点工况、参数仿真及报告编写、技术专利检索、仿真设计平台及能力建设等。

2.委托开发

根据客户的产品开发设计要求，承担一个或多个阶段的产品开发设计工作，向客户提供相应的产品设计方案或样机。

3.合作开发

根据市场需求及前景评估，与客户配合进行产品的开发设计及市场推广，双方各承担部分阶段的工作，优势互补，利益共享。

4.技术转让

将成熟的技术方案或产品，以实施许可或所有权转让的方式提供给客户，客户可依授权进行相应产品的生产和销售。

5.人才培养

开设培训课程，为客户培养电机系统节能设计仿真专业人才