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)
　　

随风1

针对HEV/EV电机设计的挑战，采用集成式多物理模拟技术是一种有效的解决策略。该技术能够模拟电机在各种条件下的运行状态，帮助工程师精确分析电能及磁损耗、结构强度、温度分布等关键问题。该技术缩短了开发周期，减少了物理样机的制作成本和时间。同时，针对内置式永磁同步电机的设计特点，我们还需关注材料选择、冷却系统设计以及控制策略的优化。通过综合考量这些因素，我们能更高效地解决电机设计的挑战，确保车辆的性能、可靠性和成本达到最优。随着技术的不断进步，相信我们能够克服这些挑战，推动HEV/EV市场的持续发展。

huangguang

针对HEV/EV电机设计的挑战，通过集成式多物理模拟技术可以有效解决。该技术在设计初期对电机进行精准仿真分析，减少物理样机的制作成本和时间。对于内置式永磁同步电机，重点考虑电能及磁损耗的优化，同时兼顾结构、温度和电磁等多方面的因素。通过模拟分析，能更精准地预测电机性能，提高车辆行驶里程和燃油效率。随着HEV和EV市场的快速发展，集成式多物理模拟技术已成为满足日益缩短产品开发周期的关键手段。通过此技术，我们能更有效地应对牵引电机设计的挑战，确保车辆性能、可靠性和成本的最优化。

针对HEV/EV电机设计的挑战，集成式多物理模拟技术是有效的解决策略。该技术可在物理样机制作前进行电磁、结构、温度等多领域的仿真分析，优化电机设计，减少迭代周期和成本。通过减少电能及磁损耗，提升电机效率，进而增加车辆行驶里程及燃油效率。同时，多物理模拟技术有助于全面考虑结构强度、散热性能等因素，提升车辆性能、可靠性和成本控制。因此，OEM需充分利用集成式多物理模拟技术，以应对HEV及EV市场的快速发展和短周期产品开发要求。

shuizhonghua

针对HEV/EV电机设计的挑战，永磁同步电机在电能转换过程中的效率和性能是关键因素。为解决上述问题，利用集成式的多物理模拟技术能够有效提高效率，减少物理样机的制作成本和时间。通过模拟分析，我们可以预测电机的电磁性能、热特性和结构强度，从而优化设计方案。同时，对电机控制策略的优化也是提升性能的重要手段。降低磁损耗和热能损耗能提高电机效率及车辆行驶里程。综合考虑结构、温度和电磁因素，我们将全面保障车辆性能、可靠性和成本效益。在竞争激烈的HEV和EV市场中，高效解决这些挑战以满足日益缩短的产品开发周期是关键。

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针对HEV/EV电机设计的挑战，作为汽车工程师，深知电机设计的核心在于优化能量转换效率和减少损耗。内置式永磁同步电机设计过程中，应注重电磁、结构及温度等多方面的综合考量。集成式多物理模拟技术是解决这一难题的关键，能在虚拟环境中提前预见并优化潜在问题，从而减少物理样机的制作成本和时间。此外，采用先进的材料技术和热管理策略，也能显著提高电机性能及可靠性。针对越来越短的产品开发周期，我们需要不断优化设计流程，提高仿真分析的准确度，确保快速响应市场需求。

落叶纷飞

针对HEV和EV电机设计的挑战，工程师应采用专业的方法应对。对于内置式永磁同步电机，减少电能及磁损耗是重中之重。为应对这一问题，建议采用先进的集成式多物理模拟技术，能在虚拟环境中分析电机性能，从而减少物理样机的制作成本和时间。同时，针对结构、温度和电磁等方面的问题，也需要进行精细化设计和优化。这不仅能提高车辆的性能和可靠性，还能降低成本，满足日益增长的市场需求和不断缩短的产品开发周期。最终目标是确保电机的高效率和性能稳定，从而满足混合动力车和纯电动车的需求。

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针对HEV/EV电机设计的挑战，集成式多物理模拟技术是有效的解决策略。该技术可在制作物理样机之前预测并优化电机性能，减少实验成本和开发周期。对于内置式永磁同步电机，应重点考虑减少电能及磁损耗的问题，以提升车辆行驶里程和燃油效率。此外，结构设计、温度及电磁性能也需综合考量，以确保车辆性能、可靠性和成本的最优化。通过集成仿真分析，我们可以更精准地解决设计难题，满足现代汽车市场的需求。