2011年,汽车制造商戴姆勒(Daimler)与世界领先的汽车供应商博世(Bosch)成立合资公司时,两家公司之间的协同效应非常明显。
合资公司EM-motive GmbH将戴姆勒在燃料电池和电池方面的专业知识与博世在电机开发和生产方面的知识相结合,设计和制造用于电动和混合动力汽车的电动牵引电机。雷电竞ray官方下载雷竞技app下载官方版
由于电机是模块化设计的,它们可以适应各种车辆类别,并满足许多不同车辆的规格。
自2012年以来,该公司已为欧洲各地的客户公司生产了30多万台电机。
即使结合了这些专业知识,模块化发动机的制造仍然是复杂和具有挑战性的。除了主要的工程限制(成本,电机安装空间,冷却和变频器的具体性能),客户为每一类型的要求引擎涵盖了广泛的单个物理领域:
热力学:冷却剂流量和温度,环境温度,以及绕组和磁性温度
结构力学:安装空间、扭矩、功率、速度、与其他部件的公差和轴承上的力
电雷竞技app下载官方版气工程:电压,电流,逆变器特性
效率和声学:空气噪声和结构噪声
为了使挑战更大,必须同时考虑所有要优化的参数。还必须考虑其他因素:噪音、振动和刺耳(NVH);安全;以及引擎的成本。
EM-motive的工程师意识到,在这样一个交互环境中,一个“经典”的组件开发系统(每个组件分别设计严格的规格,然后组装)已经不可能了。模拟
相反,该公司开发了一个设计工作流,在整个过程中包含了模拟,以考虑组件之间的动态交互,以及所有必要的参数,以确定最佳解决方案,并确保设计的稳健性。支持灵敏度分析、设计优化和设计稳健性评价的参数化工作流包括ANSYS仿真软件和其他软件工具,构建并承载在ANSYS opti俚语中。
这些工作流程帮助EM-motive在极具挑战性的时间和成本要求内开发电机,并解决定制雷竞技app下载官方版雷电竞ray官方下载设计挑战,如发动机设计的后期客户需求更改。
例如,一个客户要求某台发动机的最大转速每分钟增加1000转(rpm)。然而,加速速度的离心力会导致转子设计失败。
工程师可以增加转子层压磁铁口袋的桥厚,以承受更高离心力造成的压力。然而,这将增加磁链泄漏在转子本身,导致降低扭矩和功率。
解决这种降低的一个选择是增加绕组中的电流(但只有在电池和电子系统提供更高的电流时)。
该解决方案将加强损失并降低效率,并对客户无法接受。因此,有必要重新设计整个发动机以符合所有要求。
幸运的是,EM-motive仿真工作流可以能够灵活地分析特定引擎的需求,模拟组件之间的所有动态交互,并向客户提供对每个设计决策的权衡的可靠理解。
工作流为确定经常相互矛盾的目标的最佳折衷方案提供了基础。

数字探索的工作流程

在采购阶段,使用ANSYS opti俚语工作流连接到CAD和使用专门的电磁-热软件,设计工程师可以自由地探索可能的变化和公差,以满足客户的要求。然后他们可以提供一个快速的答案,这样客户就会知道是否可以用现有的电机来满足要求,或者是否需要开发新的电机。
通过一系列的迭代阶段,添加额外的要求,利用ANSYS仿真软件设计并优化了一种新型电机所有相关的物理域。与ANSYS Simplorer系统模拟器共享的接口有助于他们分析电力电子对电机的影响。
由于ANSYS DesignModeler和CAD系统之间存在双向界面,因此工程师可以创建辅助几何形状的参数化模型,例如外壳,并将它们集成到系统设计中。ANSYS工具允许设计人员使用一种类型的模拟结果作为另一类的边界条件。
然后,他们可以使用ANSYS Maxwell电磁模拟的力作为初始数据,使用ANSYS mechanical进行结构力学模拟。模拟通过ANSYS Workbench集成使用各种ANSYS工具,可以创建电磁、力学、热力学和声学领域的完全耦合仿真。
有了这些参数化工作流程,就可以在相关设计空间内进行所有重要的物理领域敏感性研究,以及公差确定。
工程师可以添加进一步的优化循环,但由于许多学科目标和约束的冲突特性,并且需要在系统仿真级别上快速检查电机行为,因此必须提取降阶模型(rom)。利用ANSYS Maxwell或ANSYS opti俚语的基于数据的ROM生成中的集成等效电路提取(ECE)工具包,该团队可以提取整体系统仿真的简化模型。

系统建模

这些降阶模型可以耦合在ANSYS Simplorer中创建一个完整的系统仿真。同样,参数化工作流是在opti俚语中构建的,可以选择集成其他第三方模型,如传输模型或完整的车辆模型。此时,工程师可能会执行一个系统优化回路,通过改变控制器等参数来分析组件之间的相互作用。
最后,为了使模型可与外部设计的附加引擎组件互换,设计师使用行业标准的功能模型接口(FMI)创建单个组件的模型,称为功能模型单元(FMUs)。这些fmu是由第三方软件创建的,可以在保持知识产权保密的同时轻松地进行交换:因为它们只包含标准化的输入和输出,产品特定的专有技术只对制造商可用。模拟FMUs的另一个优点是,它们可以导入到当前用于系统模拟的所有软件包中,并且可以描述,例如,在客户或开发合作伙伴的模拟环境中,作为单个组件的电子机器的行为。

理解的选项

最后的挑战是展示优化的设计,以便客户能够清楚地理解不同的设计选择及其权衡。EM-motive开发了一个单一的雷达图,将所有性能指标转换为无量纲变量,使用要求作为标准化值。
它包括所有域和它们的需求,在背景中用一个彩色饼图进一步突出显示,以清楚地表示域。
位于100%参考圆之外的所有点均满足设计要求。
物理域之间的交互也很容易在图中描述。例如,如果为了改善音响效果而修改设计,对效率的大部分负面影响就会清楚地显现出来。
图表提供了对每个重新设计的优势和弱点的全面理解,以及它如何满足(或不满足)它们独特的需求。
与当今许多复杂的过程一样,引擎设计也需要协作和系统的方法才能获得成功。
EM-motive的发动机设计系统方法集成了ANSYS参数化仿真环境和创新的演示方法,以确保他们的汽车制造客户能够在极具挑战性的时间和成本限制下开发下一代混合动力和电动汽车。雷竞技app下载官方版
(Marc Brück,资深仿真技术专家,EM-motive GmbH, H雷竞技官网ildesheim, Germany-本文最初发表在“Ansys Advantage”上)

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