解決HEV/EV電機設(shè)計的挑戰(zhàn)

混合動力車（HEV）和純電動車（EV）因具有較高的燃油效率和近于零的排放，同時價格也越來越低，而在全球市場中取得了快速的發(fā)展。許多OEM在HEV及EV車輛設(shè)計時遇到的最大挑戰(zhàn)來自于牽引電機的設(shè)計。這種電機在大多數(shù)情況下都是內(nèi)置式永磁同步電機。對此類電機來說，如何減少電能及磁損耗是能否保證最終車輛行駛里程及燃油效率的關(guān)鍵。與此同時，工程師需要考慮結(jié)構(gòu)、溫度及電磁等方面的問題，因為這些將影響車輛的性能、可靠性和成本。

在快速發(fā)展的HEV及EV市場，OEM需要快速地解決這些問題，才能夠滿足越來越短的產(chǎn)品開發(fā)周期的要求。集成式的多物理模擬技術(shù)可以在制作物理樣機之前就讓工程師快速地對各種設(shè)計方案的功能、性能和成本進行評估，從而解決這一挑戰(zhàn)。這種方式可以讓工程師在相對較短的時間內(nèi)對牽引電機的設(shè)計性能及滿足按傳統(tǒng)設(shè)計要求的成本進行優(yōu)化。

在電機/發(fā)電機開發(fā)過程中，設(shè)計小組首先要把重點放在電機的電磁兼容性上。電機組件的最初CAD繪圖和相關(guān)工程規(guī)格為電子設(shè)計優(yōu)化軟件提供初始數(shù)據(jù)——對電機/發(fā)電機的主要特性進行定義，包括永磁材料、線圈結(jié)構(gòu)、線圈匝數(shù)及氣隙等。

本文引用地址：http://www.104case.com/article/201612/332233.htm這些參數(shù)然后再為電磁場模擬軟件提供數(shù)據(jù)，用于計算電機的扭矩波形——比如說，在車輛以電機模式驅(qū)動的時候扭矩逐漸增加的方式，或車輛在制動再生模式下剎車時電阻的變化情況。軟件還會對車身重量進行分析，以決定加速情況以及在不同狀況下的停機時間。根據(jù)不同的分析結(jié)果，設(shè)計團隊會調(diào)整最基本的設(shè)計參數(shù)（比如永磁體尺寸）對設(shè)計進行優(yōu)化，根據(jù)電機的尺寸、重量和成本來平衡其性能。

扭矩分析結(jié)果還會用于結(jié)構(gòu)力學求解器中，用于計算動力總成物理部件的機械應(yīng)力、負荷、變形及振動數(shù)據(jù)，其中包括驅(qū)動軸和齒輪系統(tǒng)。振動分析非常重要，因為牽引電機可能是電動汽車上最主要的振動源。此外，設(shè)計人員通過流體力學求解器來分析電機的熱管理效果，對能量損耗進行繪圖，并確定電機/發(fā)電機總成中的熱量分布情況。

將兩個單獨優(yōu)化的零部件組合在一起得到的系統(tǒng)并不一定是最優(yōu)的。對HEV及EV牽引電機的設(shè)計來說，這點尤為明顯——在具體設(shè)計過程中，電機必須作為整個系統(tǒng)的一部分進行設(shè)計和優(yōu)化。該系統(tǒng)還包括電力電子、控制器及其他零部件。因此，一款高性能產(chǎn)品的設(shè)計如果涉及電氣、熱管理、機電、電磁及控制器等不同領(lǐng)域時，就需要采用多領(lǐng)域的系統(tǒng)模擬軟件。這種技術(shù)需要將不同的物理分析結(jié)合在一起，才能得到最優(yōu)的、完美結(jié)合的純電動動力系統(tǒng)。

牽引電機是整個動力系統(tǒng)的一部分，其中包含絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）逆變器、電纜母線以及機械負荷，這些都要在一個集成模擬軟件中進行建模分析。工程師可以通過電子熱流軟件來確定動力系統(tǒng)中主要熱源的幾何參數(shù)——其中熱源包括IGBT和電機/發(fā)電機中通電的部件。每一個熱源都要單獨對應(yīng)到軟件中的主要興趣點上（POI），同時考慮到空氣循環(huán)和傳導的熱能。系統(tǒng)會對這些數(shù)據(jù)進行處理并生成一個熱模型，從而確定每個IGBT的整體溫度波形圖。分析軟件還會提供與溫度有關(guān)的性能變量，比如電池消耗的電量，從而確保熱量水平不會超過規(guī)定的限值而對IGBT性能帶來負面的影響。

通過該溫度波形圖，工程師可以利用基于FEA的結(jié)構(gòu)求解器的熱結(jié)構(gòu)分析功能來確定最終的熱應(yīng)力。電子設(shè)計分析軟件用于計算作用于電機/發(fā)電機零部件上的電磁力以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的機械應(yīng)力分布。工程師可以據(jù)此對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，解決應(yīng)力集中或過度變形問題，或者減輕過度設(shè)計的區(qū)域。

在整個電磁及機械開發(fā)過程中，所有的計算分析以及不同物理模型之間的數(shù)據(jù)交換都由統(tǒng)一的模擬平臺負責協(xié)調(diào)完成，包括那些針對不同負荷以及對比不同設(shè)計進行的計算。這種多物理聯(lián)合模擬只有在軟件運行環(huán)境統(tǒng)一且程序之間的數(shù)據(jù)流動暢通的情況下才能夠發(fā)揮較高的效率。

舉例來說，我們采用了一個普通的模擬平臺來模擬牽引電機設(shè)計中常見的多物理問題。該模擬的最終目的是要確定定子疊片及線圈上的應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)，作為振動/聲學噪音或疲勞分析的初始數(shù)據(jù)。幾何參數(shù)對結(jié)構(gòu)及熱學分析來說都是非常常見的。磁場求解器計算電磁損耗及磁力大小。獲得的損耗值按單元對單元的方式作為熱應(yīng)力自動導入到熱學求解器中，從而計算出溫度波形圖。接著溫度波形圖再映射到結(jié)構(gòu)求解器，計算出熱應(yīng)力。

與此同時，熱應(yīng)力的磁力部分從電磁求解器中映射到結(jié)構(gòu)求解器中。工程師可以在結(jié)構(gòu)求解器中直接施加任何額外的力。最終的模擬會把在真實運行條件下所有作用于電機上的負荷同步計算在內(nèi)，從而基于真實條件對電機性能進行模擬。一旦模擬完成，工程師可以通過常用的模擬平臺改變幾何參數(shù)并更新在不同物理狀態(tài)下進行的模擬，而且采用全自動的方式，不必針對各個模擬再重新設(shè)置一遍。

針對每個電流波形，輸出扭矩在某個特定負載角下達到最大。為了實現(xiàn)電機和驅(qū)動的優(yōu)化，負載角和電流同時用于驅(qū)動電機，在給定的幾何參數(shù)下獲得最大扭矩。要想獲取此類曲線，至少要做494種不同組合的模擬，其中并不包括在不同運轉(zhuǎn)溫度下幾何參數(shù)、電機速度和材料屬性發(fā)生的各種可能的改變。這個例子說明，一個常見的內(nèi)置式永磁同步電機設(shè)計的優(yōu)化需要對成千上萬個設(shè)計進行模擬。