随着更多消费者表达对环境的关注,电动汽车(EVS)正在跟踪以传统的内燃机车辆作为运输方式。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。

作为电力驱动的基本部件,转子需要进行耐久性测试,因为在驱动运行期间,它们必须以不同的速度和扭矩承受大量的转数。然而,评估转子层合的强度是费时的。通过使用COMSOL Multiphysics构建仿真应用程序,大众卡塞尔正将这种转子测试过程自动化,并降低开发成本和提高产品质量®软件

平衡电磁和机械要求

图1所示。MEB的原理图,与可选的全轮驱动(左,前面的车辆)和主驱动(右,后方的车辆)。

2015年,大众开始开发模块化系统,称为模块化电气化工具包(MEB),以优化电动汽车设计,提高制造过程的效率。MEB考虑了扭矩,功率和速度的主后轮驱动和可选前轮驱动使用的全轮驱动版本(图1)。

除了车轴、驱动单元、重量和轴距的比例等要求外,高压驱动电池的设计和放置在整个MEB概念中起着重要作用。虽然MEB有助于优化单个部件和整个系统,但平衡这些需求需要设计师仔细考虑,尤其是在考虑数字化、自动驾驶和电力驱动等新技术时。

从电力驱动开发过程的一开始,大众卡塞尔的设计、模拟和测试人员之间就有密切的合作。首先,仿真专家审查一个电力驱动的性能规范,并使用仿真研究如何最好地接近设计。例如,对驱动器进行建模大大减少了变体的数量,并在此模型的基础上发布仿真应用程序,从而使设计者能够对不同的变体进行基准测试,并选择最佳的变体。

这种协作对所有人都是至关重要和有益的,因为模拟不能覆盖所有现实世界的问题。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,”Steffen Rothe博士解释说,他是大众卡塞尔的组件开发仿真工程师。“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荷。”

此外,平衡双重需求可能具有挑战性,因为它们有时会发生冲突。例如,虽然更好地使用薄的,网状结构的电磁要求,较厚的结构是更好的机械耐久性。在开发过程的早期处理这些需求是重要的。一种有效的方法是模拟覆盖需求的所有负载情况。“模拟,”Rothe说,“在加速设计过程中起着重要作用。许多工业仿真程序被设计成一个黑匣子,而COMSOL Multiphysics在其透明性方面是独一无二的。它使用户可以查看和修改已实现的方程式,甚至可以添加自己的方程式。”Rothe说。此外,该软件从一开始就被设计为一个多物理工具,使用户能够同时模拟不同的物理领域。因此,用户可以结合不同的物理领域来做一些全新的事情。

然而,即使对仿真专家来说,分析诸如此类的复杂物理问题也是一项挑战。该团队需要一种与同事沟通的方式,并使非机械模拟专家能够测试某些参数。通过使用COMSOL Multiphysics中的内置工具Application Builder来创建预测转子应力的仿真应用程序,设计人员能够满足这些需求。

通过专业应用提高电动汽车生产

图2。一个典型的转子设置与转子板,轴,和磁铁。

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。

对于一个典型的转子设置(图2),仿真专家得出结论,他们可以自动化负载测试,包括干扰、温度和运行速度。这些是其他部门的同事能够从改变自己中受益的参数。一般可变参数包括几何形状,面积,干涉,接触,主动磁体的数量和材料。这些考虑帮助Hermanns为应用程序组合了一个直观的用户界面(图3),同事们可以使用它来自动化所需的计算。

赫尔曼斯说:“我们的想法是为同事们创建一个应用程序,以一种简单快捷的方式来衡量不同的设计。”此外,我们还可以为特定问题创建一个具有直观用户界面的工具。在这种情况下,用户不需要了解模拟如何工作的细节。”

图3。模拟应用程序用户界面的一个示例。

规范发展服务公司和客户需求

除了在大众卡塞尔的部门之间自动化开发过程,专业的模拟应用程序帮助工程师标准化他们的基准流程的转子层压。

图4。转子的标准化应力结果。

该应用程序缩短了执行常见任务(如应用边界条件、材料和加载)所需的时间,并被标准化并组合到用户界面中。另一个好处是自动生成报告,其中包括层压转子片截面的强度等级,并有助于标准化跨团队的报告摘要(图4)。

通过使用仿真应用的转子层压应力分析,在大众卡塞尔的工程师能够节省时间和金钱的发展过程中的电力驱动。这些应用程序还有助于提高产品质量,帮助仿真专家和非专业人士将冗长的模型构建过程自动化,并将模型和结果标准化,缩短从模型到概念车到商用电动汽车的距离。

本文由COMSOL (Burlington, MA)贡献。欲了解更多信息,请访问在这里


科技简报》杂志

本文首次发表于《华尔街日报》2021年6月号技术简介杂志。

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