電動車馬達設計與模擬

馬達電磁分析及優化設計

馬達為新能源電動汽車的關鍵零部件之一,不僅應用於動力總成系統,也廣泛應用於各類驅動及控制系統。新能源汽車馬達除了廣泛使用的永磁同步馬達外,也包含無刷直流馬達、感應馬達、開關磁阻馬達、以及爪極馬達等馬達類型。Altair HyperWorks 提供一整套完整的工具集,應用於新能源汽車馬達的多物理場模擬分析及優化設計,覆蓋了從馬達本體設計到馬達驅動控制系統集成式設計全過程,有助於提升馬達運行性能及與驅動系統的配合度。

Altair HyperWorks 新能源馬達多物理場模擬及參數優化應用:

■ FluxMotor : 新能源馬達電磁快速設計及優化

基於 Flux 的有限元快速計算
參數化零件裝配式建模
繞組參數定義視覺化
性能測試自動化
參數優化 (HyperStudy-FluxMotor)

■ Flux : 馬達電磁精細化分析

FluxMotor-Flux 無縫集成
2D、Skew、3D 磁場計算
鐵損計算、永磁退磁計算
轉軸偏心、短路等工況計算
模型參數優化分析 (HyperStudy-Flux)
開放的多物理場耦合能力
電磁振動耦合 (Flux-OptiStruct)
電磁-流體熱耦合 (Flux-AcuSolve)

電驅動系統模擬

■ Activate : 多學科系統級模擬平臺

基於框圖式的系統建模仿真工具
支援控制代碼腳本調用 (Compose/C/...)
同時支援信號流控制模型和能量流物理模型
面向多學科的 Modelica 物理模型庫(電氣、機電、液壓、馬達等) ·
支援 FMI/FMU 模型交互
支援 Simulink 檔導入
支援 1D-3D 協同模擬 (Activate-Flux-MotionSolve)

■ Embed : 馬達控制嵌入式系統視覺化開發

基於框圖/狀態的控制系統模擬分析
自動生成嵌入式系統 C 代碼
即時控制系統 (real-time) 定點演算法
互動式軟體迴路 (SIL)、處理器迴路 (PIL)、硬體迴路 (HIL) 模擬測試
支援硬體測試平臺：:TI C2000, TI InstaSPIN, Arduino 及通用的硬體環境

Altair 新能源汽車馬達電驅動系統分析設計工具鏈:

馬達電磁振動雜訊分析

電動車中動力總成系統的主要雜訊來源有電磁雜訊、空氣動力雜訊等。馬達氣隙轉子切割磁場產生隨時間和空間變化的徑向/切向力,電磁力作用於定子齒槽表面激起馬達結構部分振動,並向周圍空氣輻射電磁雜訊。

Flux-OptiStruct 為用戶提供了電磁力—振動雜訊的耦合分析方案。

HyperMesh 為 Flux 中精確求解定子齒槽部分所受電磁力提供齒部網格輸出。
透過 Flux 求解齒槽部分的電磁力並直接輸出為 OptiStruct 可直接導入的檔。
在 OptiStruct 中計算驅動馬達部分電磁振動雜訊 (ERP),實現電磁結構的耦合分析。

驅動馬達多學科優化

驅動馬達的設計開發涉及到多學科問題,除馬達設計中關心的電磁場、電磁力分佈外,還涉及馬達結構在振動雜訊中的性能表現等。若只採用傳統的單學科優化模式,只考慮一個性能或學科的影響,可能無法得到系統最優解,甚至產生矛盾。在 HyperStudy 可以實現多學科的參數優化設計,可以充分利用各個學科之間的互相作用關係,實現並行設計,並考慮系統中的協同效應,使產品更具有競爭力。

例如自動實現 Flux-OptiStruct 的電磁力振動雜訊回應的耦合分析,並對馬達設計中的馬達扭矩,功率以及結構設計振動、雜訊進行多學科多模型的聯合優化。

案例:某型號馬達轉矩和 ERP 聯合優化

在 HyperStudy 平臺下,實現 Flux 電磁力計算中馬達齒槽幾何參數與 OptiStruct 振動雜訊分析中的形狀變數進行參數聯立與一一對應,創建用於 Flux 和 OptiStruct 模型的形狀變化設計參數。在相同的形狀參數下,同時對 Flux 模型中對馬達扭矩等變數的優化,及對 OptiStruct 中振動雜訊的優化。

馬達熱分析

馬達是新能源車主要的動力來源,也是新能源車區別於傳統燃料車的設計重點。無論是風冷、液冷系統,還是噴油冷卻,採用 AcuSolve 中豐富的熱分析模組能精確類比出流道內的流體運動情況,以及整個系統內的傳導、輻射、對流的綜合熱傳遞效應。

馬達內各部件的熱損耗是馬達散熱分析中的重要輸入條件,通過 Flux 對電磁元件進行模擬分析,可提供各發熱部件對應的靜態熱載荷。這種基於 Flux 和 AcuSolve 的耦合,可以有效地提高馬達熱分析的精度。

高發熱密度的油冷馬達採用噴油冷卻,對於氣液兩相流和轉動物體的模擬採用基於 SPH 演算法的模組 nanoFluidX 計算流場,再將流場結果映射給 Acusolve 分析溫度場。

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