Ansys博客
February 12, 2024
推动电机设计的新一轮发展
从汽车行业到航空和工业应用，电机如今炙手可热。但其在广泛应用方面仍存在挑战，包括功率级和可靠性挑战。Optiphase Drive Systems正在利用Ansys软件推出创新的五相电机设计，该设计有望带来颠覆性的变革。
就电动汽车（EV）电机工程而言，三相设计是将电能转换为机械能的行业标准。1889年，德国AEG公司的M. Dolivo-Dobrovolski发明了三相电机，其依靠三个相同频率的交流电来产生电磁相互作用，从而能够为车辆供电。
三相电机非常适合用作EV驱动装置的牵引电机。它们的输出功率级别可高达400kW，电机转速高达25,000rpm，支持高达1,200rpm的车轴转速。
虽然三相电机的性能令人惊叹，但其也有局限性。例如，三相电机缺乏新一代EV应用（如航空航天和重型机械）所需的扭矩和功率。它们的容错能力也有限；如果三相中有一相发生故障，电机就会失去扭矩并停止运行。最后，EV牵引电机最常见的解决方案是使用含有稀土金属的高能量永磁体，但这涉及可持续性问题。
为了解决这些局限性问题，并将EV扩展应用到轻量化车辆之外的领域，Daniel Vicario和Siavash Sadeghi共同创立了Optiphase Drive Systems（ODS）。这家总部位于德克萨斯州的初创公司正在利用Ansys软件推出一种五相EV电机设计，该设计有望实现行业变革，吸引了投资者和政府机构的广泛关注。Ansys初创公司计划正在支持他们提高EV电机的功能、可靠性和可持续性。
让我们快速了解一下ODS正在开发的集成系统，其将该公司的五相电机和控制器结合在一个紧凑的设计中。
五相电机：实现想法的时机已到
Vicario和Sadeghi曾在燃气轮机制造商Capstone Turbine（现为Capstone Green Energy）公司共事。当两人在2015年离开公司时，他们决定保持联系，因为他们对电机设计和创业有着同样的热情。Vicario先后在Parker Aerospace和Eaton公司任职，而Sadeghi则先后在Honeywell、Supernal和Hyperloop公司任职。多年来，他们一直保持着密切的联系。
ODS首席执行官Vicario表示：“我知道Siavash一直在完善其五相电机的设计，这是一个伟大的想法，其有望真正颠覆能源行业并为社会带来巨大的利益。我们只需等待合适的时机。”
这个创新的电机设计由现任ODS首席技术官的Sadeghi开发，他当时正在佐治亚理工学院攻读电机设计和控制专业的博士学位。“在读博士时，我对五相电机概念进行了大量研究和原型设计，随着职业生涯的开始，我会在业余时间继续对其进行优化”，他解释道。
“最后，我有能力相信该技术可以成功实现商业化，”Sadeghi继续说道，“Daniel和我都意识到是时候全力以赴了。”
2017年初，Vicario和Sadeghi共同成立了ODS，致力于将这一想法转化为申请专利的商业化产品。
推动车辆电气化的巨大发展
五相电机的工作方式与三相电机的相同。不过，由于扭矩与相位数量成正比，因此在相同的电机体积和相同的电流下，五相电机扭矩增加了15%以上。ODS五相电机的功率增加了17%，速度范围提高了6%，每个开关的电流载荷减少了40%，但电机的尺寸或重量并不会因此而增加，这相比于三相电机而言是一项巨大的改进。这些规范可以使EV电机适用于一系列新的大功率应用。
Sadeghi指出：“这款电机提供的强大功率和扭矩将开拓全新的行业和客户领域。航空航天、国防、海洋、建筑和农业行业中的重量级重型汽车现在可以实现电气化，无需使用多个电机为其供电。”由Sadeghi开发的专有控制算法（被称为ADAPTIV）有助于最大限度地减少每个开关所需的电流，同时最大限度地提高功率密度。其结果是，实现了更小型、更轻量化、能够提供极高功率的设计。
此外，与现在的三相设计相比，ODS的五相电机还具有更大的容错能力。最多可以有两个相位发生故障，而ODS电机将继续产生扭矩。这意味着其相比三相设计显著提高了可靠性。
Vicario是一名前美国海军军官和飞行员，因此他特别关心可靠性问题。他解释道：“在我为美国海军军舰执行远程打击和侦察任务期间，我遇到了由短路引起的设备故障，这险些要了我的命。这就是为什么我对于可靠性能十分执着。无论是行驶在偏远地区的家用汽车，应对紧急情况的急救车，还是先进的航空航天应用，我们都不允许EV电机发生故障。我们的五相设计可显著降低这一风险。”
环境影响也是电机设计的关键考量因素。得益于其五相技术和专有设计，ODS的EV电机需要更少的稀土金属。Vicario和Sadeghi认为，这对于重视环境责任的行业而言是一项重要优势。与目前的三相EV电机相比，据估计，它还有助于将成本降低25%。
利用Ansys技术推动实现商业化
Vicario和Sadeghi不希望在此透露太多，但他们的五相电机设计已经受到重型设备制造商、汽车制造商和美国政府机构的关注。例如，在最近参加无人机系统（UAS）发电挑战赛过程中，ODS向美国空军展示了其技术。ODS通过提交提案并晋级下一轮竞赛，同时超越了一些全球领先的航空航天企业，从而赢得了这一荣誉。
Sadeghi认为，工程仿真对于推进概念、验证性能以及向客户和投资者展示其潜力至关重要。“2022年末，我们与德克萨斯大学达拉斯分校合作构建了一款物理原型电机。因为仿真已经预测了设计的成功，所以没有任何意外。物理概念验证始终是必要的，但仿真可以为实现目标节省大量的时间和资金。
Sadeghi补充道：“如果没有仿真，我们需要花费数百万美元构建物理原型并对其进行迭代，而这对于初创公司来说是不可能的。通过使用Ansys软件，我们能够迭代地调整磁体等组件，不仅可以在初始阶段证明我们的概念，而且还可以针对不同的客户和行业应用调整基础设计。Ansys是独一无二的，因为其广泛的工具套件使我们能够同时研究电磁和机械性能，并进行探索权衡。”
Vicario和Sadeghi都非常感谢有机会通过Ansys初创公司计划获得Ansys软件许可。Vicario强调道：“Ansys通过为我们提供行业领先的开发工具，真正地在投资ODS这样的小公司的未来。开始创业时，现金流不会有很多，而Ansys初创公司计划让我们能够低成本地开展工作。我们正处于一个非常令人振奋的阶段，如果没有Ansys，我们无法取得现在的成果。”
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