仿真应用简化了电动汽车电机的开发

大众卡塞尔通过构建和分发评估转子叠片强度的仿真应用程序,加速了电机的设计过程。


托马斯•Forrister
2019年12月

随着越来越多的消费者表示对环境的关注,电动汽车正逐步超越传统内燃机汽车,成为首选的交通方式。为了应对这一不断增长的需求,领先的汽车制造商正在尽自己的一份力量为电动汽车铺平道路,与内燃机制造商一起加速电动和混合动力汽车的开发。大众汽车就是这样一家汽车制造商,它在德国的卡塞尔工厂专门从事电动驱动的开发、规划和生产。日产150台电动汽车和300台混合动力汽车。

作为电力驱动的重要部件,转子需要进行耐久性测试,因为在驱动运行过程中,它们必须在不同的速度和扭矩下承受大量的转数。然而,评估转子层合板的强度是费时的。大众卡塞尔通过使用COMSOL Multiphysics®软件构建仿真应用程序,实现了转子测试过程的自动化,同时降低了开发成本,提高了产品质量。

平衡电磁和机械要求

2015年,大众开始开发模块化系统,以优化电动汽车设计,提高制造过程的效率,称为模块化电气化工具包(MEB)。MEB包括主后轮驱动的扭矩、功率和速度,以及全轮驱动版本中使用的前轮驱动(图1)。在其他要求中,如轴、驱动单元、重量和轴距的比率,高压驱动电池的设计和布局在整个MEB概念中起着重要的作用。虽然MEB有助于优化单个组件和整个系统,但要平衡这些需求,设计师需要认真考虑,尤其是考虑到数字化、自动驾驶和电动驱动等新技术。

显示大众卡塞尔MEB的示意图。
图1。MEB示意图,带有可选的全轮驱动(左侧,车辆前部)和主驱动(右侧,车辆后部)。

从电驱动开发过程的一开始,大众卡塞尔公司参与设计、模拟和测试的工作人员就进行了密切合作。首先,仿真专家审查电力驱动的性能规范,并使用仿真研究如何以最佳方式进行设计。例如,对驱动器进行建模可以大大减少变型的数量,并且基于此模型分发仿真应用程序可以让设计师对不同的变型进行基准测试并选择最佳的变型。

这种协作对所有人都是至关重要和有益的,因为模拟无法涵盖所有真实世界的问题。因此,测试过程在开发过程中扮演着重要的角色。此外,实验测试程序有助于改进仿真模型。

“在电机的开发过程中,必须满足许多要求,”大众卡塞尔零部件开发模拟工程师Steffen Rothe博士解释说。“一方面,机器必须满足扭矩和功率的电气要求。另一方面,转子必须具有一定的耐久性,离心力是转子的主要负载。”

此外,平衡双重需求可能是具有挑战性的,因为它们有时是不一致的。例如,虽然使用薄的网状结构更好的电磁要求,较厚的结构更可取的机械耐久性。在开发过程的早期处理这些需求是很重要的。有效做到这一点的一种方法是模拟满足需求的所有负载情况。Rothe表示:“模拟在加速设计过程中发挥着重要作用。”

“许多工业模拟程序被设计成一个黑匣子,而COMSOL Multiphysics®在透明度方面是独一无二的。它使用户能够查看和修改已实现的方程,甚至添加自己的方程,”Rothe说。此外,该软件从一开始就被设计为一种多物理工具,使用户能够同时模拟不同的物理场。因此,用户可以组合不同的物理场来做一些全新的事情。

然而,分析这些复杂的物理问题可能是一项挑战,即使是对仿真专家来说也是如此。该团队需要一种与同事沟通的方式,让机械模拟领域的非专家能够测试某些参数。设计师能够通过使用Application Builder(COMSOL Multiphysics®中的内置工具)来创建预测转子应力的模拟应用程序,从而满足这些需求。

通过特殊应用改善电动汽车生产

为了设计一个应用程序供同事评估转子叠片的强度和耐久性,模拟专家Marie Hermanns和Steffen Rothe考虑了模型的哪些部分可以自动化,哪些模型参数是可变的,以及应用程序应该显示哪些结果。

典型转子的原理图。
典型转子的原理图。
图2。带有转子板、轴和磁铁的典型转子装置。

对于典型的转子设置(图2),模拟专家得出结论,他们可以自动进行负载测试,包括干扰、温度和运行速度。这些参数是其他部门的同事可以通过改变自己而受益的。一般可变参数包括几何体、面积、干涉、触点、有源磁铁数量和材料。这些考虑因素帮助Hermanns为应用程序(图3)构建了一个直观的用户界面,同事们可以使用该界面自动化所需的计算。

用于分析电动汽车转子的模拟应用程序截图。
图3。模拟应用程序的用户界面示例。

“这个想法是为同事创建一个申请,以实现简单而快速的方式来基准不同的设计,”赫尔曼斯说。“另外,可以使用直观的用户界面为特定问题创建一个工具。在这种情况下,用户不必学习模拟方式的详细信息。“

规范发展,服务公司和客户需求

除了自动化部门之间的开发过程,在大众卡塞尔,专门的模拟应用程序帮助工程师标准化他们的基准过程的转子层合板。

该应用程序缩短了执行常见任务(如应用边界条件、材料和负载)所需的时间,并被标准化并合并到用户界面中。另一个好处是自动生成的报告,其中包括对层压转子薄片部分的强度评级,并有助于标准化跨团队的报告摘要(图4)。

显示转子顶部应力分析的应用程序屏幕截图。
一个应用程序的屏幕截图显示了转子的底部的应力分析。
图4。转子的标准化应力结果。

通过使用模拟应用程序对转子叠片进行应力分析,VW Kassel的工程师能够在电气传动的开发过程中节省时间和金钱。通过帮助仿真专家和非专家自动完成冗长的模型构建过程,标准化模型和结果,缩短从模型到概念车到商用电动汽车的距离,这些应用程序也有助于提高产品质量。

大众卡塞尔的模拟工程师玛丽·赫尔曼斯的照片。
大众卡塞尔的模拟工程师斯蒂芬·罗思的照片。

左:玛丽·赫尔曼斯(模拟工程师)。右图:Steffen Rothe(模拟工程师)。

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