解决HEV/EV电机设计的挑战

xiaozhiqiang

　　混合动力车（HEV）和纯电动车（EV）因具有较高的燃油效率和近于零的排放，同时价格也越来越低，而在全球市场中取得了快速的发展。许多OEM在HEV及EV车辆设计时遇到的最大挑战来自于牵引电机的设计。这种电机在大多数情况下都是内置式永磁同步电机。对此类电机来说，如何减少电能及磁损耗是能否保证最终车辆行驶里程及燃油效率的关键。与此同时，工程师需要考虑结构、温度及电磁等方面的问题，因为这些将影响车辆的性能、可靠性和成本。
　　在快速发展的HEV及EV市场，OEM需要快速地解决这些问题，才能够满足越来越短的产品开发周期的要求。集成式的多物理模拟技术可以在制作物理样机之前就让工程师快速地对各种设计方案的功能、性能和成本进行评估，从而解决这一挑战。这种方式可以让工程师在相对较短的时间内对牵引电机的设计性能及满足按传统设计要求的成本进行优化。
　　在电机/发电机开发过程中，设计小组首先要把重点放在电机的电磁兼容性上。电机组件的最初CAD绘图和相关工程规格为电子设计优化软件提供初始数据――对电机/发电机的主要特性进行定义，包括永磁材料、线圈结构、线圈匝数及气隙等。
　　

　　这些参数然后再为电磁场模拟软件提供数据，用于计算电机的扭矩波形――比如说，在车辆以电机模式驱动的时候扭矩逐渐增加的方式，或车辆在制动再生模式下刹车时电阻的变化情况。软件还会对车身重量进行分析，以决定加速情况以及在不同状况下的停机时间。根据不同的分析结果，设计团队会调整最基本的设计参数（比如永磁体尺寸）对设计进行优化，根据电机的尺寸、重量和成本来平衡其性能。
　　扭矩分析结果还会用于结构力学求解器中，用于计算动力总成物理部件的机械应力、负荷、变形及振动数据，其中包括驱动轴和齿轮系统。振动分析非常重要，因为牵引电机可能是电动汽车上最主要的振动源。此外，设计人员通过流体力学求解器来分析电机的热管理效果，对能量损耗进行绘图，并确定电机/发电机总成中的热量分布情况。
　　

　　将两个单独优化的零部件组合在一起得到的系统并不一定是最优的。对HEV及EV牵引电机的设计来说，这点尤为明显――在具体设计过程中，电机必须作为整个系统的一部分进行设计和优化。该系统还包括电力电子、控制器及其他零部件。因此，一款高性能产品的设计如果涉及电气、热管理、机电、电磁及控制器等不同领域时，就需要采用多领域的系统模拟软件。这种技术需要将不同的物理分析结合在一起，才能得到最优的、完美结合的纯电动动力系统。
　　牵引电机是整个动力系统的一部分，其中包含绝缘栅双极型晶体管（IGBT）逆变器、电缆母线以及机械负荷，这些都要在一个集成模拟软件中进行建模分析。工程师可以通过电子热流软件来确定动力系统中主要热源的几何参数――其中热源包括IGBT和电机/发电机中通电的部件。每一个热源都要单独对应到软件中的主要兴趣点上（POI），同时考虑到空气循环和传导的热能。系统会对这些数据进行处理并生成一个热模型，从而确定每个IGBT的整体温度波形图。分析软件还会提供与温度有关的性能变量，比如电池消耗的电量，从而确保热量水平不会超过规定的限值而对IGBT性能带来负面的影响。
　　通过该温度波形图，工程师可以利用基于FEA的结构求解器的热结构分析功能来确定最终的热应力。电子设计分析软件用于计算作用于电机/发电机零部件上的电磁力以及系统结构上的机械应力分布。工程师可以据此对系统结构进行优化，解决应力集中或过度变形问题，或者减轻过度设计的区域。
　　

　　在整个电磁及机械开发过程中，所有的计算分析以及不同物理模型之间的数据交换都由统一的模拟平台负责协调完成，包括那些针对不同负荷以及对比不同设计进行的计算。这种多物理联合模拟只有在软件运行环境统一且程序之间的数据流动畅通的情况下才能够发挥较高的效率。
　　举例来说，我们采用了一个普通的模拟平台来模拟牵引电机设计中常见的多物理问题。该模拟的最终目的是要确定定子叠片及线圈上的应力及变形数据，作为振动/声学噪音或疲劳分析的初始数据。几何参数对结构及热学分析来说都是非常常见的。磁场求解器计算电磁损耗及磁力大小。获得的损耗值按单元对单元的方式作为热应力自动导入到热学求解器中，从而计算出温度波形图。接着温度波形图再映射到结构求解器，计算出热应力。
　　与此同时，热应力的磁力部分从电磁求解器中映射到结构求解器中。工程师可以在结构求解器中直接施加任何额外的力。最终的模拟会把在真实运行条件下所有作用于电机上的负荷同步计算在内，从而基于真实条件对电机性能进行模拟。一旦模拟完成，工程师可以通过常用的模拟平台改变几何参数并更新在不同物理状态下进行的模拟，而且采用全自动的方式，不必针对各个模拟再重新设置一遍。
　　针对每个电流波形，输出扭矩在某个特定负载角下达到最大。为了实现电机和驱动的优化，负载角和电流同时用于驱动电机，在给定的几何参数下获得最大扭矩。要想获取此类曲线，至少要做494种不同组合的模拟，其中并不包括在不同运转温度下几何参数、电机速度和材料属性发生的各种可能的改变。这个例子说明，一个常见的内置式永磁同步电机设计的优化需要对成千上万个设计进行模拟。
　　（本文由ANSYS公司首席工程师Zhangjun（Zed）Tang博士撰写。）(end)