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借助仿真工具提升車用電機(jī)設(shè)計(jì)的研發(fā)效率

2018-11-16 20:13:44·  來源：COMPASS Mag  作者：William J. Holstein  
　
如今，車用電機(jī)設(shè)計(jì)步入飛速發(fā)展階段。當(dāng)電機(jī)還主要應(yīng)用于工廠時(shí)，工廠經(jīng)理能夠控制溫度、灰塵、濕度、振動(dòng)和潤(rùn)滑等變量。然而，當(dāng)電機(jī)安裝到汽車?yán)锖?，所有這些
如今，車用電機(jī)設(shè)計(jì)步入飛速發(fā)展階段。當(dāng)電機(jī)還主要應(yīng)用于工廠時(shí)，工廠經(jīng)理能夠控制溫度、灰塵、濕度、振動(dòng)和潤(rùn)滑等變量。然而，當(dāng)電機(jī)安裝到汽車?yán)锖?，所有這些因素都將發(fā)生很大變化。COMPASS雜志將在此文中探討幾位行業(yè)頂尖工程師如何設(shè)計(jì)用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域的電機(jī)。
英國(guó)Integral Powertrain公司

自19世紀(jì)中期以來，電機(jī)一直是工廠中的發(fā)電主力軍。數(shù)代電機(jī)都在靜態(tài)受控環(huán)境中運(yùn)行。但是今天，各種類型的混動(dòng)車和電動(dòng)車中都需要使用這些電機(jī)。事實(shí)上電機(jī)的普及正在催生重大變革。
 
《沃德汽車》（Ward’s Automotive）預(yù)計(jì)，制造商推出的電池供電車型將從2018年僅有的18款增加到2025年的85款。將電機(jī)用在交通領(lǐng)域要求它們能適應(yīng)迅速變化的工作環(huán)境。此外，電機(jī)還需要縮小尺寸，提高功率，增強(qiáng)靈活性。
 
這類電機(jī)的未來可從位于英國(guó)布萊奇利的Integral Powertrain公司中管窺一二。該公司生產(chǎn)的其中一款高端電機(jī)能以每秒75,000次的速度將任何偏離期望電流水平的信息反饋給電機(jī)控制器，以幫助輸出功率維持在期望水平。
 
Integral Powertrain的技術(shù)總監(jiān)Luke Barker說：“這些電機(jī)的可控性極其優(yōu)異。眾所周知，電動(dòng)汽車的大多數(shù)制動(dòng)無需通過制動(dòng)器就能完成，而是讓電機(jī)扭矩反轉(zhuǎn)，這樣還能為電池充電。例如，我們能極為迅速且準(zhǔn)確地控制扭矩，從而用電機(jī)提高速度和改善換檔精度。我們通常能在百分之一秒內(nèi)完成一個(gè)方向的最大扭矩到另一個(gè)方向的最大扭矩。這種可控性水平是其他類型的動(dòng)力系統(tǒng)所不具備的。”
 
精密的設(shè)計(jì)
 
計(jì)算機(jī)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)能滿足當(dāng)今電機(jī)設(shè)計(jì)的精密性要求，有助于設(shè)計(jì)人員和工程師創(chuàng)建數(shù)字模型，在遠(yuǎn)早于實(shí)際制造之時(shí)即可仿真電機(jī)在汽車動(dòng)力系統(tǒng)中運(yùn)行的情況。仿真能夠預(yù)測(cè)電磁輸出、振動(dòng)和應(yīng)力等因素，而軟件則可以控制這些因素。
 
“能夠[借助仿真軟件]在實(shí)際運(yùn)行前預(yù)測(cè)電機(jī)的工作情況極為重要。”
 
LUKE BARKER
INTEGRAL POWERTRAIN技術(shù)總監(jiān)
Barker表示：“能夠[借助仿真軟件]在實(shí)際運(yùn)行前預(yù)測(cè)電機(jī)的工作情況極為重要。我們的仿真工具通過之前電機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，這意味著我們的預(yù)測(cè)能力十分可靠。其部分原因在于我們的電機(jī)具有良好的可擴(kuò)展性?？赡茉O(shè)計(jì)的電機(jī)比之前的電機(jī)大五倍，但從電磁學(xué)角度而言它們極為相似。”
仿真軟件和數(shù)字原型讓Integral Powertrain能夠面向制造進(jìn)行設(shè)計(jì)，并確定可用的供應(yīng)商。Barker表示：“這樣可以避免每部電機(jī)都要從頭學(xué)起，因?yàn)樗械闹R(shí)都是在基于規(guī)則的設(shè)計(jì)中獲得的。”
 
奧地利Kreisel Electric公司
 
電力動(dòng)力系統(tǒng)
 
奧地利Kreisel Electric公司從供應(yīng)商采購(gòu)電機(jī)，然后將它們與傳動(dòng)、電池和電池管理相結(jié)合，創(chuàng)建出完整的電動(dòng)車系統(tǒng)，其中包括全球首輛電動(dòng)悍馬H1。該車是2017年為演員兼前加州州長(zhǎng)阿諾德·施瓦辛格開發(fā)的。其輸出功率為360kW，電池容量達(dá)100kWh，續(xù)航里程近300km（186英里）。
Kreisel Electric機(jī)電工程負(fù)責(zé)人Helmut Kastler表示，與Integral Powertrain一樣，Kreisel Electric也是借助高級(jí)建模與仿真軟件來優(yōu)化電機(jī)性能，平衡電力動(dòng)力系統(tǒng)的所有組件。
 
Kastler說：“我們能整合電機(jī)熱傳遞等各項(xiàng)參數(shù)，還能設(shè)定溫度限值。我們基本上可以仿真一切。”
“我們能整合電機(jī)熱傳遞等各項(xiàng)參數(shù)，還能設(shè)定溫度限值。我們基本上可以仿真一切。”
 
HELMUT KASTLER
KREISEL ELECTRIC機(jī)電工程負(fù)責(zé)人
挑戰(zhàn)之一是驗(yàn)證傳動(dòng)裝置能否與動(dòng)力更強(qiáng)大的新型電機(jī)配套。在將電機(jī)應(yīng)用到交通運(yùn)輸應(yīng)用的早期，傳動(dòng)處理的轉(zhuǎn)速在每分鐘5,000到6,000轉(zhuǎn)（rpm）；現(xiàn)在電機(jī)的轉(zhuǎn)速已能達(dá)到每分鐘15,000到20,000轉(zhuǎn)。傳動(dòng)裝置上的電傳感器將信息發(fā)送到汽車的電子控制單元（ECU）。電子控制單元相當(dāng)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，按需提供潤(rùn)滑，從而減少摩擦和熱量。
 
Kreisel Electric研究工程師Johannes Pumsleitner說：“軟件使我們能夠輕松地將各個(gè)單獨(dú)部件的特性組合在一起，并查看機(jī)械力、熱力和電力的綜合效應(yīng)以及彼此間的相互作用，這樣我們就能創(chuàng)建整個(gè)系統(tǒng)。通過提供任何一項(xiàng)參數(shù)我們都能啟動(dòng)仿真系統(tǒng)，而且我們還能對(duì)駕駛行為進(jìn)行仿真。”
噪聲管理是另一大關(guān)鍵問題。電機(jī)幾乎可以做到無聲運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，擁有更多機(jī)械組件的傳動(dòng)如果不能正確地與電機(jī)同步，就會(huì)發(fā)出噪聲。Kastler表示：“我們必須謹(jǐn)慎處理噪聲。你可以仿真你想要仿真的一切，但你需要知道哪些屬性必須要進(jìn)行優(yōu)化。”
 
英國(guó)YASA公司
 
電機(jī)再造
設(shè)計(jì)與仿真工具還能幫助全新電機(jī)拓?fù)溟_辟通途，實(shí)現(xiàn)高功率密度、小尺寸、高效率電機(jī)。
 
2006年英國(guó)牛津大學(xué)研究人員成功地淘汰了永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中使用的大型成型鐵制件——磁軛。磁軛是一種大重量結(jié)構(gòu)件，通常將來自電機(jī)磁鐵的磁通量傳導(dǎo)到有電流通過的銅線圈上。牛津大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)，使用更少數(shù)量的特殊鐵材料取代磁軛，能在顯著減小電機(jī)重量和尺寸的同時(shí)提供更強(qiáng)功率和扭矩水平。這種新拓?fù)浔环Q為YASA：無磁軛分段電樞。
 
這一突破減輕了車輛重量，同時(shí)提升了車輛的凈效率。例如，YASA的公司在2009年從牛津大學(xué)的研究項(xiàng)目中獨(dú)立出來，該公司首席商務(wù)官Ajay Lukha稱，與第一代純電動(dòng)汽車（BEV）中常用的徑向電機(jī)和單速變速傳動(dòng)系統(tǒng)相比，YASA電機(jī)與兩檔變速箱一同使用時(shí)，在某些情況下可減少電池尺寸逾10%。
 
Lukha表示，YASA電機(jī)的優(yōu)勢(shì)將給電動(dòng)車的設(shè)計(jì)與成本帶來深遠(yuǎn)的影響。與類似電機(jī)相比，YASA電機(jī)能消除大約25%的電力損耗，效率上更勝一籌。此外，這一設(shè)計(jì)還能提高功率/扭矩密度至少三倍，從而大幅減小電機(jī)尺寸和重量。YASA還能利用計(jì)算機(jī)化設(shè)計(jì)與仿真來預(yù)測(cè)自己的電機(jī)在特定車輛上的性能水平。
 
Lukha表示：“一切都始于電機(jī)和電機(jī)運(yùn)行。通過對(duì)優(yōu)化的功率和扭矩以及車輛動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行仿真，預(yù)測(cè)它們?nèi)绾闻c電機(jī)性能相互作用。”
“我們創(chuàng)建的模型能夠讓我們從車輛系統(tǒng)層面將YASA電機(jī)和其他類型電機(jī)進(jìn)行同等比較。”
 
AJAY LUKHA
YASA首席商務(wù)官
 
由于每個(gè)汽車制造商對(duì)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力、效率和速度有著不同的性能目標(biāo)，因此YASA使用軟件來預(yù)測(cè)整個(gè)車輛在總體效率方面的性能水平。
Lukha說：“目前我們的仿真已發(fā)展到很高水平，我們創(chuàng)建的模型能夠讓我們從車輛系統(tǒng)層面將YASA電機(jī)和其他類型電機(jī)進(jìn)行同等比較。你可以從特定車輛上獲取特定數(shù)據(jù)，然后在系統(tǒng)層面對(duì)效率進(jìn)行建模，從而確定最佳電機(jī)選擇。” 
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