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借助仿真工具提升车用电机设计的研发效率

2018-11-16 20:13:44·  来源：COMPASS Mag  作者：William J. Holstein  
　
如今，车用电机设计步入飞速发展阶段。当电机还主要应用于工厂时，工厂经理能够控制温度、灰尘、湿度、振动和润滑等变量。然而，当电机安装到汽车里后，所有这些
如今，车用电机设计步入飞速发展阶段。当电机还主要应用于工厂时，工厂经理能够控制温度、灰尘、湿度、振动和润滑等变量。然而，当电机安装到汽车里后，所有这些因素都将发生很大变化。COMPASS杂志将在此文中探讨几位行业顶尖工程师如何设计用于交通运输领域的电机。
英国Integral Powertrain公司

自19世纪中期以来，电机一直是工厂中的发电主力军。数代电机都在静态受控环境中运行。但是今天，各种类型的混动车和电动车中都需要使用这些电机。事实上电机的普及正在催生重大变革。
 
《沃德汽车》（Ward’s Automotive）预计，制造商推出的电池供电车型将从2018年仅有的18款增加到2025年的85款。将电机用在交通领域要求它们能适应迅速变化的工作环境。此外，电机还需要缩小尺寸，提高功率，增强灵活性。
 
这类电机的未来可从位于英国布莱奇利的Integral Powertrain公司中管窥一二。该公司生产的其中一款高端电机能以每秒75,000次的速度将任何偏离期望电流水平的信息反馈给电机控制器，以帮助输出功率维持在期望水平。
 
Integral Powertrain的技术总监Luke Barker说：“这些电机的可控性极其优异。众所周知，电动汽车的大多数制动无需通过制动器就能完成，而是让电机扭矩反转，这样还能为电池充电。例如，我们能极为迅速且准确地控制扭矩，从而用电机提高速度和改善换档精度。我们通常能在百分之一秒内完成一个方向的最大扭矩到另一个方向的最大扭矩。这种可控性水平是其他类型的动力系统所不具备的。”
 
精密的设计
 
计算机化设计系统能满足当今电机设计的精密性要求，有助于设计人员和工程师创建数字模型，在远早于实际制造之时即可仿真电机在汽车动力系统中运行的情况。仿真能够预测电磁输出、振动和应力等因素，而软件则可以控制这些因素。
 
“能够[借助仿真软件]在实际运行前预测电机的工作情况极为重要。”
 
LUKE BARKER
INTEGRAL POWERTRAIN技术总监
Barker表示：“能够[借助仿真软件]在实际运行前预测电机的工作情况极为重要。我们的仿真工具通过之前电机的相关数据的验证，这意味着我们的预测能力十分可靠。其部分原因在于我们的电机具有良好的可扩展性。可能设计的电机比之前的电机大五倍，但从电磁学角度而言它们极为相似。”
仿真软件和数字原型让Integral Powertrain能够面向制造进行设计，并确定可用的供应商。Barker表示：“这样可以避免每部电机都要从头学起，因为所有的知识都是在基于规则的设计中获得的。”
 
奥地利Kreisel Electric公司
 
电力动力系统
 
奥地利Kreisel Electric公司从供应商采购电机，然后将它们与传动、电池和电池管理相结合，创建出完整的电动车系统，其中包括全球首辆电动悍马H1。该车是2017年为演员兼前加州州长阿诺德·施瓦辛格开发的。其输出功率为360kW，电池容量达100kWh，续航里程近300km（186英里）。
Kreisel Electric机电工程负责人Helmut Kastler表示，与Integral Powertrain一样，Kreisel Electric也是借助高级建模与仿真软件来优化电机性能，平衡电力动力系统的所有组件。
 
Kastler说：“我们能整合电机热传递等各项参数，还能设定温度限值。我们基本上可以仿真一切。”
“我们能整合电机热传递等各项参数，还能设定温度限值。我们基本上可以仿真一切。”
 
HELMUT KASTLER
KREISEL ELECTRIC机电工程负责人
挑战之一是验证传动装置能否与动力更强大的新型电机配套。在将电机应用到交通运输应用的早期，传动处理的转速在每分钟5,000到6,000转（rpm）；现在电机的转速已能达到每分钟15,000到20,000转。传动装置上的电传感器将信息发送到汽车的电子控制单元（ECU）。电子控制单元相当于中枢神经系统，按需提供润滑，从而减少摩擦和热量。
 
Kreisel Electric研究工程师Johannes Pumsleitner说：“软件使我们能够轻松地将各个单独部件的特性组合在一起，并查看机械力、热力和电力的综合效应以及彼此间的相互作用，这样我们就能创建整个系统。通过提供任何一项参数我们都能启动仿真系统，而且我们还能对驾驶行为进行仿真。”
噪声管理是另一大关键问题。电机几乎可以做到无声运转。但是，拥有更多机械组件的传动如果不能正确地与电机同步，就会发出噪声。Kastler表示：“我们必须谨慎处理噪声。你可以仿真你想要仿真的一切，但你需要知道哪些属性必须要进行优化。”
 
英国YASA公司
 
电机再造
设计与仿真工具还能帮助全新电机拓扑开辟通途，实现高功率密度、小尺寸、高效率电机。
 
2006年英国牛津大学研究人员成功地淘汰了永磁电机设计中使用的大型成型铁制件——磁轭。磁轭是一种大重量结构件，通常将来自电机磁铁的磁通量传导到有电流通过的铜线圈上。牛津大学研究人员发现，使用更少数量的特殊铁材料取代磁轭，能在显著减小电机重量和尺寸的同时提供更强功率和扭矩水平。这种新拓扑被称为YASA：无磁轭分段电枢。
 
这一突破减轻了车辆重量，同时提升了车辆的净效率。例如，YASA的公司在2009年从牛津大学的研究项目中独立出来，该公司首席商务官Ajay Lukha称，与第一代纯电动汽车（BEV）中常用的径向电机和单速变速传动系统相比，YASA电机与两档变速箱一同使用时，在某些情况下可减少电池尺寸逾10%。
 
Lukha表示，YASA电机的优势将给电动车的设计与成本带来深远的影响。与类似电机相比，YASA电机能消除大约25%的电力损耗，效率上更胜一筹。此外，这一设计还能提高功率/扭矩密度至少三倍，从而大幅减小电机尺寸和重量。YASA还能利用计算机化设计与仿真来预测自己的电机在特定车辆上的性能水平。
 
Lukha表示：“一切都始于电机和电机运行。通过对优化的功率和扭矩以及车辆动态参数进行仿真，预测它们如何与电机性能相互作用。”
“我们创建的模型能够让我们从车辆系统层面将YASA电机和其他类型电机进行同等比较。”
 
AJAY LUKHA
YASA首席商务官
 
由于每个汽车制造商对驱动动力、效率和速度有着不同的性能目标，因此YASA使用软件来预测整个车辆在总体效率方面的性能水平。
Lukha说：“目前我们的仿真已发展到很高水平，我们创建的模型能够让我们从车辆系统层面将YASA电机和其他类型电机进行同等比较。你可以从特定车辆上获取特定数据，然后在系统层面对效率进行建模，从而确定最佳电机选择。” 
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