仿真民主化推进电气化

作者:Pierre Millithaler，电机仿真(FE)和方法开发，舍弗勒汽车Buehl GmbH & Co

如果你部署了一个节省时间和金钱的软件应用程序，但是你公司的人不愿意使用它，因为他们觉得他们缺乏必要的专业知识，该怎么办?

随着技术变得越来越复杂，这种情况正在世界各地的企业中展开。例如，对设计仿真软件的深入理解通常只掌握在一个部门或只属于一两个专家，而说服其他人使用新平台可能是一件艰难的事情。即使是对其他复杂程序有经验的工程师和设计师也可能会退缩，宁愿只使用他们最熟悉的技术。

但是没有必要成为底层技术方面的权威来利用模拟软件所提供的好处。这就是民主化的意义所在:让软件以一种所有用户都可以在没有深入知识的情况下成功运行的方式访问。

效率图与峰值和连续转矩速度要求

10倍更多的模拟在更少的时间

舍弗勒集团为汽车行业设计先进的系统和部件，包括电动和混合动力汽车的动力系统。电子机械工程方法与仿真团队(该团队在新工具的部署过程中为舍弗勒其他部门提供支持)最近开展了一项民主化工作，其重点是创建一个计算效率高的工作流程，从而实现电机的多物理场、多目标设计优化。

具体来说，群耦合Ansys Motor-CAD，领先的电机设计软件，配合Ansys optiSLang过程集成与变化分析平台。其结果是一种现成的、基于占空比的优化方法，将帮助产品设计师识别在现实条件下电子机床的行为与特定几何参数之间的关系

现在，舍弗勒的设计师和工程师在整个企业范围内拥有更好的电机设计到验证工作流，可以减少对昂贵的物理原型的依赖。元模型使得可以执行的优化迭代的数量大幅增加，而直接在有限元模型上执行模拟所需时间的一小部分。在能源转型的时代，电气化计划正在兴起，对功能强大、价格合理的电动机器的需求也在增长，这将使舍弗勒能够比以往更快、更好地满足客户的需求。

现在，舍弗勒整个企业的设计师和工程师都有了更好的电机设计到验证工作流程，可以减少对昂贵的物理原型的依赖。

驱动循环效率模拟

克服软件采用的障碍

舍弗勒助力塑造未来的移动出行。他们的产品代表了一系列令人震惊的过程和学科:物理学的不同方面，各种热态，机械工程和电气工程等等。凭借Motor-CAD在全扭矩工作范围内生成多物理场模拟的能力，很容易看出该软件是如何融入舍弗勒工具包的。特别是，它将允许在一个领域(例如电磁学)具有专业知识的设计师在不需要额外知识的情况下，对电机设计的整个电气和热行为进行性能映射。

除其他活动外，舍弗勒仿真部门开发独立工具和工作流程，帮助采办团队快速执行计算并显示特定结果。他们还参与评估现有软件的潜力，并在公司内部推广它。

几年前，他们把注意力转向了马达cad。自评估其潜力并在公司内部推广使用以来，舍弗勒内部的用户数量一直在增加。Motor-CAD在公司内部的流行部分归功于舍弗勒仿真工程师开发的基于元模型的方法，该方法将Motor-CAD和optiSLang结合起来，在早期设计阶段优化电驱动器内磁体的放置。磁铁有助于决定驱动器内的机械功率，因此优化它们的体积、形状和其他变量有两个目的。首先，磁铁非常昂贵;使用符合性能要求的最小磁铁有助于降低电机的总体成本。此外，几何优化有助于最大限度地减少性能改变铁，磁铁和交流或直流绕组损失在特定的驱动周期中，电机的转子和定子。

两个几何参数与连续扭矩之间关系的元模型可视化

评估100种不同的几何形状

无论工程师选择哪种算法，运行优化都涉及多次迭代，这可能需要相当长的计算时间。一个单一的有限元模型模拟需要长达35分钟，这是很正常的。

为了更快地生成结果，Schaeffler在optiSLang中计算了一个元模型，然后使用该软件也运行优化。这使他们能够在几分钟内运行数千次优化迭代。

舍弗勒总共模拟了100种不同的几何形状，评估每个设计变量在每个工作点的影响，包括磁铁厚度。元模型还考虑了在给定占空比上的总能量损失，这是优化目标之一。通过在Motor-CAD中嵌入一个占空比，舍弗勒的仿真工程师还能够评估整个占空比的综合热损失。

帕累托前沿，多个优化设计概念，展示了电子机器成本和驱动循环效率之间的权衡

有信心做得更多，包括让客户满意

在预处理过程中，目标是将轴转矩和转子转速作为设计变量(输入值或参数)在不同占空比、峰值或连续运行时的变化关系。

Schaeffler随后使用Motor-CAD对不同输入参数(槽深、磁体厚度和宽度、桥厚、磁体阵列角度和极弧)的变化在定义的作用点上的转矩变化进行建模。通过在Motor-CAD中嵌入一个占空比，舍弗勒的仿真工程师还能够评估整个占空比的综合损失，包括以热量形式出现的损失。由于客户希望每个工作点至少提供一定的扭矩值，因此输入参数为优化器提供了约束条件。

结果，结合特定的磁铁尺寸，与最初的设计相比，磁铁体积提高了23%。

此时，舍弗勒模拟工程师分析了optiSLang中输入和输出值之间的关系。由于仿真软件允许他们生成精度超过95%的元模型，舍弗勒有信心计算所需算法的所有优化样本，并且无需在Motor-CAD中重复任何模拟。

模拟组还验证了最佳磁体设计，以满足性能要求，同时最大限度地减少总损耗和磁体体积。结果，结合特定的磁铁尺寸，与最初的设计相比，磁铁体积提高了23%。

最终，舍弗勒的工作将直接转化为更高的客户满意度:当汽车制造商要求优化特定的操作参数时，舍弗勒可以比以往更快地交付最有前景的概念。

基于相同的优化工作流程，针对相同的要求在不同的转子概念之间进行选择

保持与时俱进

通过结合前置加载方法，舍弗勒创建了一个高效灵活的工具，使产品设计师和工程师能够对任何电机概念使用相同的优化工作流程，并在几分钟内得到结果。使用FEA模拟100个样本需要50个小时，而基于元模型的优化可以在几分钟内模拟10,000个样本。

元模型还消除了与新软件相关的通常陡峭的学习曲线，这意味着它有助于舍弗勒工程师和设计师立即提高生产力，并跟上他们的汽车客户的速度。

不同优化设计理念的效率比较图