设计电动电机

作者:Marc Brück,德国希尔德斯海姆EM-motive GmbH资深仿真技术专家

为混合动力汽车和电动汽车设计最佳定制发动机时,需要将多个电子和机械组件作为一个完整系统进行设计和测试。确定和选择权衡因素并非易事,不过EM-motive GmbH研发了一种整合ANSYS仿真和ANSYS optiSLang优化软件的多域工作流程,从而解决了这个难题。

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EM-motive electric engine

2011年,汽车制造商戴姆勒与世界领先的汽车零部件供应商博世成立了一家合资公司,双方之间的合作产生了显著的协同效应。合资公司EM-motive GmbH将戴姆勒在燃料电池和蓄电池方面的专业知识与博世的电机研发生产经验相结合,以设计和生产用于电动汽车和混合动力汽车的牵引电机。电机采取模块化设计,因此适合多种车型并且满足许多不同车辆的规范要求。从2012年到现在,该公司已经为遍布欧洲的多家客户生产了超过300,000台电动电机。

design concept comparison

雷达图展示了三种设计概念及其在满足客户要求方面的情况。

 

即使拥有这样强强联合的专业知识,制造模块化发动机仍然颇具复杂性和挑战性。除了主要的工程约束(成本、电机的安装空间、冷却和逆变器相关属性),客户对每款发动机的要求涵盖了一系列广泛的物理域:

  • 热力学:冷却剂流速与温度、环境温度以及绕组和磁体温度
  • 结构力学:安装空间、扭矩、功率、速度、对其他部件的容差以及轴承受力
  • 电气工程:电压、电流、逆变器相关属性
  • 效率与声学:空气噪声和结构噪声

更具挑战的是,需要同时考虑所有待优化的参数。此外,还必须考虑其他因素:噪声、振动和粗糙度(NVH);安全性;以及发动机的成本。

EM-motive的工程师意识到在这种交互式环境中,单独为每个组件设计严格规范、然后再进行装配的“传统”组件研发系统已不再适用。该公司研发了一种自始至终集成仿真技术的设计工作流程,以考虑组件之间的动力学相互作用以及所有必要的参数,从而确定最佳解决方案并确保设计鲁棒性。

参数化工作流程可支持敏感度分析、优化设计和设计鲁棒性评估,其包含了ANSYS仿真软件和其他软件工具,并在ANSYS optiSLang中进行构建和托管。这些工作流程帮助EM-motive在充满挑战的时间和成本要求下研发电机产品,并解决定制化设计挑战,例如在发动机设计的后期阶段客户要求发生变化。

electric motordesign workflow

电机的设计流程必须包含所有这些内部和外部组件。

 

举例而言,客户要求特定发动机的最大速度需要提高1,000转/ 分(rpm)。然而,加速后的离心力会导致转子设计失败。工程师会增加转子叠片套(磁体被冲压到叠片套中)的连接厚度,以承受更大的离心力造成的应力。但是,这会增加转子中的磁漏,导致扭矩和功率降低。解决此问题的一种方法是增加绕组中的电流(但前提是电池和电子系统能够提供更高的电流)。该方案会加大损耗,降低效率,这对客户来说是无法接受的。因此有必要重新设计整个发动机,以满足所有要求。

幸运的是,EM-motive仿真工作流程能够进行灵活调整,以分析具体发动机的要求,仿真组件之间的所有动力学相互作用,并让客户充分理解每个设计决策的权衡因素。该工作流程提供了可靠的知识基础,能够在相互冲突的目标之间进行最佳权衡。

“该公司研发了一种自始至终集成仿真技术的设计工作流程,以考虑组件之间的动力学相互作用。”

electric motor optimization workflow

随着设计不断进行优化,工作流程的三个阶段可重复迭代。

 

数字探索工作流程

在采购阶段,利用与CAD连接的ANSYS optiSLang工作流程以及专业的电磁–热分析软件,设计工程师就能自由探索所有可能的设计变量及容差,从而充分满足客户的要求。他们可以快速提供答案,这样客户就能够知道现有的电机是否满足要求,以及是否需要研发新的电机。

在添加附加要求后进行的一系列迭代过程中,工程师利用ANSYS仿真软件在所有相关的物理域中设计和优化新型电机。与ANSYS Simplorer系统仿真器的共享接口能帮助他们分析电力电子对电机的影响。由于ANSYS DesignModeler与CAD系统之间存在双向接口,工程师可创建辅助几何模型(例如外壳)的参数化模型,并将它们集成到系统设计中。ANSYS工具允许设计人员将一种仿真的结果用作另一种仿真的边界条件。随后,他们将ANSYS Maxwell电磁仿真得到的力值用作ANSYS Mechanical结构力学仿真的初始数据。利用在ANSYS Workbench中集成的各种ANSYS工具,工程师可创建涉及电磁、机械、热力学和声学等领域的完全耦合仿真。

利用这些参数化工作流程,工程师能够在相关设计空间内执行所有重要的物理域敏感度研究并确定相关容差。工程师可添加深入的优化循环,但考虑到多种学科目标和约束之间相互冲突的特性,以及需要在系统仿真级快速检查电机行为,因此必须提取降阶模型(ROM)。利用ANSYS Maxwell中的集成等效电路提取(ECE)工具套件或ANSYS optiSLang的数据化ROM生成功能,研发团队能够提取整个系统仿真的降阶模型。

系统建模

这些降阶模型可在ANSYS Simplorer中进行耦合,以创建完整的系统仿真。然后再一次在optiSLang中建立参数化工作流程,并且选择性地集成其他的第三方模型,例如传动模型或完整的汽车模型。此时,工程师可执行系统优化循环,通过改变参数(例如控制器参数)来分析组件之间的相互作用。

最后,为了使模型能够与外部机构设计的发动机组件实现互换,设计人员使用行业标准的功能模型接口(FMI)来创建每个组件的模型,其被称为功能模型单元(FMU)。这些FMU采用第三方软件创建,并且能方便地进行互换,同时保持IP保密性:它们只包含标准化输入和输出,因此只有制造商才能获得产品的具体技术信息。FMU的另一个优势在于其可被导入目前所有的系统仿真软件中,并且能够在客户或研发合作伙伴的整体仿真中将电机的特性作为单个组件进行描述。

了解设计选项

最后一个挑战是呈现优化后的设计,使客户能清楚地了解不同设计选择及其权衡因素。EM-motive研发了一个雷达图,其可将所有性能指标转换成无量纲的变量,并将要求作为标准值。它包含了所有物理域及其要求,并在背景中用带颜色的饼状图进行加亮显示,以清晰呈现不同的域。位于100%参考圆之外的所有点都满足设计要求。物理域之间的相互作用也能方便地在图表中进行描述。如果设计需要改进以提高声学性能,则图中会显示对效率最不利的影响。该图表有助于全面理解每个新设计的优势和弱势,以及如何满足(或不满足)独特的要求。

就像当今很多复杂的工艺过程一样,发动机设计也需要采用协作式的系统化方案才能成功。EM-motive的系统化发动机设计方法集成了ANSYS参数化仿真环境和创新的呈现方法,能确保汽车制造商客户在充满挑战性的时间和成本约束下研发出新一代混合动力汽车和电动汽车。

本文改编自CADFEM Journal编辑团队的采访内容。

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