仿真应用简化了电动汽车电动机的开发

大众汽车通过建设和分配评估转子叠层强度的仿真应用,加速了电动机的设计过程。


托马斯·斯特里斯特
2019年12月

随着更多消费者表达对环境的关注,电动车辆正在跟踪以将传统的内燃机车辆作为选择的运输方式。为了应对这种日益增长的需求,领先的汽车制造商正在为EVS提供铺平道路,并在燃烧发动机的制造商旁边铺平了EVS的方式。一位这样的汽车制造商是大众汽车,德国的卡塞尔植物专门从事电动驱动器的开发,规划和生产。它每天具有150个电动和300个混合动力车的生产输出。

作为电动驱动器的基本组件,需要测试转子的耐用性,因为它们必须在驱动操作期间以不同的速度和扭矩凸起非常大的转数。然而,评估转子叠片的强度是耗时的。VW Kassel正在通过使用COMSOLMultiPhysics®软件构建仿真应用来实现转子的这种测试过程,以及降低开发成本和增加产品质量。

平衡电磁和机械要求

2015年,大众汽车开始开发一个模块化系统,以优化EV设计,使制造过程更高效,称为模块化电气化工具包(MEB)。MEB考虑主轮驱动器的扭矩,功率和速度,以及用于全轮驱动版本的可选前轮驱动(图1)。在其他要求之外,例如轴,驱动单元,重量和轴胎的比率,高压驱动电池的设计和放置在整体MEB概念中起主要作用。虽然MEB有助于优化各个组件和整体系统,但平衡这些要求在设计师的部分内仔细考虑,特别是在占数字化,自主驾驶和电动驱动等新技术时。

在大众卡塞尔的MEB示意图。 MEB原理图
图1. MEB的示意图,具有可选的全轮驱动(车辆前部)和主驱动器(右侧,车辆后部)。

从电动驱动开发过程的开始,参与V​​W卡塞尔的设计,仿真和测试的员工之间一直密切合作。首先,仿真专家审查了电动驱动器的性能规范,并使用模拟来调查如何最佳接近设计。例如,模拟驱动器大大减少了变体的数量,并根据该模型分发仿真应用程序使设计人员能够基准标记不同的变体并选择最佳变量。

这一协作对于所有人来说至关重要,有益,因为模拟无法涵盖所有​​现实世界问题。因此,测试过程在开发过程中起着重要作用。此外,实验测试程序有助于改善仿真模型。

“在电机的开发过程中,一个人必须满足许多要求,”VW卡塞尔的组件开发仿真工程师博士解释道。“一方面,机器必须匹配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,其中离心力是转子的主要负载。“

此外,平衡双重要求可能是具有挑战性的,因为它们有时是有可能的。例如,虽然更好地使用薄,但是用于电磁要求的薄纱结构,较厚的结构对于机械耐久性是优选的。重要的是,这些要求在开发过程中提前解决。一种有效的方法是模拟涵盖要求的所有负载箱。“模拟,”Rothe说,“在加速设计过程中发挥着重要作用。”

“许多工业仿真程序被设计为一个黑匣子,而COMSOLMultiPhysics®在其透明度中是独一无二的。它使用户能够查看和修改实现的方程,甚至可以添加自己,“Rothe说。此外,该软件始于开头的多体工具,使用户能够同时模拟不同的物理字段。因此,用户可以组合不同的物理字段来完成全新的东西。

然而,即使对于模拟专家,也可以分析诸如这些可能具有挑战性的复杂的身体问题。该团队需要一种与同事沟通的方法,并在机械模拟中启用非普通以测试某些参数。设计人员可以通过使用Application Builder,COMSOLMultiPhySics®中的内置工具来满足这些需求,以创建预测转子中应力的仿真应用。

通过专业应用提高EV生产

为了设计同事申请,以评估转子叠片的强度和耐用性,仿真专家Marie Hermanns和Steffen Rothe考虑了模型的哪个部分可以自动化,其中模型参数是可变的,并且应用程序应该显示哪些结果。

典型转子的示意图。 典型的转子设置
典型转子的示意图。 典型的转子设置
图2.具有转子板,轴和磁铁的典型转子设置。

对于典型的转子设置(图2),模拟专家得出结论,它们可以自动化负载测试来包括干扰,温度和操作速度。这些是其他部门的同事将受益能够改变自己的参数。一般变量参数包括几何,面积,干扰,触点,有源磁铁的数量和材料。这些考虑因素帮助Hermanns为应用程序的直观用户界面放在一起(图3),同事可以用于自动化所需的计算。

用于分析EV转子的仿真应用的屏幕截图。 EV转子的仿真应用
图3.模拟应用程序用户界面的示例。

“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。“

标准化开发,为公司提供服务和客户需求

除了在VW卡塞尔的部门之间自动化发展过程之外,专业仿真应用还可以帮助工程师标准化转子叠层的基准处理。

应用程序缩短执行常见任务所需的时间,例如应用边界条件,材料和加载,并标准化并将其组合到用户界面中。进一步的好处是自动生成的报告,其包括层压转子板段的强度等级,并有助于在团队中标准化报告摘要(图4)。

应用于转子顶部的应力分析的应用程序的屏幕截图。 转子顶部
应用程序的屏幕截图,显示转子底部的应力分析。 转子底部
图4.转子的标准化应力结果。

通过使用仿真应用的转子叠层的应力分析,VW卡塞尔的工程师能够在电动驱动器的开发过程中节省时间和金钱。应用还有助于提高产品质量,通过帮助仿真专家和非企业,无论是自动化的冗长模型施工过程和标准化模型和结果,缩短所需的距离,从模型到概念车辆到市售的EV。

Marie Hermanns的照片,VW卡塞尔的仿真工程师。
Steffen Rothe的照片,仿真工程师vw卡塞尔。

左:Marie Hermanns(模拟工程师)。右:Steffen Rothe(模拟工程师)。

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