如今，新能源汽車電機(jī)（e-motor）不能僅僅將電機(jī)視為一個獨(dú)立的單元進(jìn)行開發(fā)，還必須確保滿足完整的電驅(qū)動或混合驅(qū)動系統(tǒng)集成性的嚴(yán)格要求。因此，e-motor的開發(fā)不能是學(xué)科隔離的而必須是系統(tǒng)的，以便與其余部件和系統(tǒng)構(gòu)成最佳匹配。噪聲和功耗是其中兩個主要挑戰(zhàn)。
有限元等仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電機(jī)設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)方向的驗(yàn)證，數(shù)值優(yōu)化技術(shù)也正加速驅(qū)動設(shè)計(jì)流程，例如利用優(yōu)化技術(shù)幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)獲得最佳方案、進(jìn)行靈敏度研究、對比權(quán)衡不同的設(shè)計(jì)方案等，稱為“仿真驅(qū)動設(shè)計(jì)”。“仿真驅(qū)動設(shè)計(jì)”尤其適合于需要綜合多種不同學(xué)科領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，如e-motor，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)方法無法綜合考慮多種設(shè)計(jì)變更和性能變更之間的關(guān)系。
本文介紹了由Altair與Porsche（保時捷）合作研究的利用Altair工具進(jìn)行新能源汽車電機(jī)轉(zhuǎn)子多物理場聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，為新能源汽車電機(jī)多物理場優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新的思路參考。
1 多物理場 / 多學(xué)科優(yōu)化
多物理場優(yōu)化方法將e-motor設(shè)計(jì)時同時考慮多個不同設(shè)計(jì)要求成為可能，從而避免的串行的開發(fā)策略，因?yàn)榇虚_發(fā)策略中必須要進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)迭代才可能滿足所有的設(shè)計(jì)要求，而且可能被迫妥協(xié)接受某些不利的設(shè)計(jì)。然而，在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)中有限的時間等限制條件下，多物理場及多學(xué)科優(yōu)化需要有效的執(zhí)行過程，這個過程需要集成e-motor開發(fā)的所有部門，需要包含不同物理場的仿真模型并且是更新的。
設(shè)計(jì)輸入和設(shè)計(jì)、包裝、生產(chǎn)等方面的限制需要在定義優(yōu)化設(shè)計(jì)問題時考慮，否則，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果將不可行，最終，所有的輸入和限制將被包含在單一的優(yōu)化循環(huán)中，如圖1所示：
圖1 通用的E-motor多物理場優(yōu)化流程
2 多物理場優(yōu)化流程
新能源汽車電機(jī)的多物理場優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖2所示。以Altair HyperStudy?作為優(yōu)化引擎，驅(qū)動所有分析子過程和整個優(yōu)化過程中所需的工具。
圖2 Altair多物理場優(yōu)化設(shè)計(jì)流程
多物理場優(yōu)化的執(zhí)行時間軸如圖3所示：
圖3 多物理場優(yōu)化執(zhí)行時間軸
- 以基本設(shè)計(jì)（baseline design）為優(yōu)化設(shè)計(jì)起點(diǎn)
- 定義設(shè)計(jì)變量（DVs）創(chuàng)建設(shè)計(jì)空間（磁鋼形狀及位置變量）
- 定義需要的分析工況響應(yīng)，需要使用一個或多個求解器執(zhí)行一個或多個仿真計(jì)算甚至聯(lián)合仿真以獲得必要的分析結(jié)果，作為優(yōu)化目標(biāo)或者約束條件
- 執(zhí)行DOE分析，生成所有響應(yīng)的響應(yīng)面，后續(xù)的優(yōu)化可基于這些響應(yīng)面進(jìn)行
- 執(zhí)行全局優(yōu)化
3 Porsche設(shè)計(jì)問題概覽
Porsche旨在設(shè)計(jì)一款高性能電動汽車驅(qū)動電機(jī)，對關(guān)鍵性能指標(biāo)（如功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等）有更高的要求，設(shè)計(jì)要求見圖4：
圖4 Porsche電機(jī)設(shè)計(jì)要求
Porsche和Altair采用了分為三個階段實(shí)現(xiàn)整個電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，如圖5所示：
- Phase1：初始概念設(shè)計(jì)階段
- Phase2：多學(xué)科分析階段
- Phase3：系統(tǒng)分析階段
圖5 E-motor設(shè)計(jì)項(xiàng)目過程
Phase1：初始概念設(shè)計(jì)方案選擇（baseline Design）
首先通過Altair FluxMotor?快速獲得初始設(shè)計(jì)：
1 基于經(jīng)典的轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，快速對比不同繞組方案對基速點(diǎn)（附近）最大轉(zhuǎn)矩和功率的影響（圖6）
圖6 不同繞組設(shè)計(jì)方案對比
2 基于選定的繞組方案，對比獲得最佳匹配設(shè)計(jì)需求的轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案，在FluxMotor中進(jìn)行快速“效率Map測試”同時獲得基速點(diǎn)和最大轉(zhuǎn)速點(diǎn)數(shù)據(jù)，對比四種轉(zhuǎn)子拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案（圖7）：
圖7 四種轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案對比
Phase2：多學(xué)科設(shè)計(jì)過程
為了滿足不同物理場的不同需求，采用多物理場設(shè)計(jì)優(yōu)化流程（圖8）：
圖8 多物理場設(shè)計(jì)優(yōu)化流程
- FluxMotor快速仿真提取主要特征
- Altair Flux?執(zhí)行多個工況分析（圖9-11）
? 基速點(diǎn)（base Point）
? 最大轉(zhuǎn)速點(diǎn)（Max Speed）
? 短路退磁（Demagnetization）
? 100kW最大轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)
圖9 工作點(diǎn)磁場計(jì)算
圖10 短路分析電路、短路電流曲線
圖11 短路磁體退磁率評估
- 傳熱仿真提取溫升響應(yīng)（圖12）
圖12 100kW運(yùn)行2小時溫升
- Altair OptiStruct? 執(zhí)行結(jié)構(gòu)分析（圖13）
圖13 轉(zhuǎn)子應(yīng)力分布
- DOE分析及多物理場優(yōu)化（圖14-16）
圖14 Altair HyperStudy中完整的多物理場分析
圖15 針對不同優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)計(jì)方向（DOE）
圖16 多物理場優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果（滿足所有約束）
Phase3：增加功率變換器提升優(yōu)化設(shè)計(jì)
第3階段，為了進(jìn)一步提升電機(jī)設(shè)計(jì)，考慮由電力電子器件以及控制方式對電機(jī)產(chǎn)生更精確的驅(qū)動信號。
圖17 Altair Activate? 建立電機(jī)控制系統(tǒng)模型（速度控制、電流控制、逆變器、PMSM）
多種逆變器IGBT建模方式:
- 基于信號的建模
圖18 基于信號流的逆變器建模
- 基于Modelica的物理建模
圖19 基于Modelica的逆變器建模
- 基于Spice格式建模
圖20 基于SVPWM的相電壓波形
多種電機(jī)建模方式：
- 基于Park方程的數(shù)學(xué)模型
圖21 基于數(shù)學(xué)的PMSM模型（Park方程）
- 基于LUT的電機(jī)降階模型
圖22 基于LUT的PMSM降階模型
- Flux協(xié)同仿真的電機(jī)模
圖23 基于Flux協(xié)同仿真的PMSM模型
新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)級仿真
圖23 基于Flux協(xié)同仿真的PMSM模型
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