Altair HyperWorks提升電動車馬達的性能

Altair深信模擬驅動設計是創新的關鍵，並提供了多物理場模擬和優化平台 Altair HyperWorks。可自定義的環境使馬達設計師可以加速工作流程，減少設計時間，盡快將符合規格的產品上市。

馬達設計師在不同的設計階段都必須考慮到多種因素，例如效率、溫度、重量、密度或成本。此外，過去幾年中，在環境與政府壓力下，汽車行業正在不斷演變，以整合下一代汽車動力總成(Powertrain)的新技術。（動力總成：一般指發動機、變速器，以及變速器上面的其他零件，如離合器/前差速器等。）
動力總成的電動化和油電混合動力是解決內燃機（internal combustion engines, ICE）燃料廢氣排放的最常用技術。根據JP Morgan最近的研究顯示，到2025年，舊的純ICE動力技術應會下降到全球市場的70％，到2030年將大幅下降到大約40％。表示在2025年約有850萬輛電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）；然而在2016年，只有不到100萬輛汽車（全球汽車銷量的1%）是插電式電動汽車（PEV）。同時，許多首都宣布將禁止造成污染的技術，且大多數汽車製造商宣稱要以有高轉化率的電力取代傳統ICE動力技術。這項由上層提出的政策轉變，將影響到所有汽車製造商是否能在短期內重建產品。由於有些汽車的製造需費時約15年，因此每家製造商都需盡快進行生產電動車和油電混合動力車。因此，需要一款新穎且高效的模擬協助目前面臨的困難。
Altair深信模擬驅動設計是創新的關鍵，並提供了多物理場模擬和優化平台 Altair HyperWorks。可自定義的環境使馬達設計師可以加速工作流程，減少設計時間，盡快將符合規格的產品上市。本文透過比較性能與驅動週期的優化，說明了Altair設計電動馬達的獨特過程。
如何從新技術中獲得最大效益？如何在使用最佳設計、配置和材料的同時，為乘客提供良好的舒適度？多虧優質的馬達設計平台，擁有多種設計和優化方法，可以對數千個變數進行分析和比較，在綜合效率、性能、成本、噪音中找到最佳的配置。

從設計概念上根據WLTP的標準優化電動汽車馬達

從設計驅動週期內的電動馬達說起

專門用於馬達模擬設計的最新平台，Altair FluxMotor，設計師可以自己定義合適的參數。不同於CAD模型，FluxMotor還有考慮到包含：結構、尺寸（內/外徑、深度）、極數和磁鐵的數量、拓撲（拓樸形狀、維度）、繞組結構(winding architecture)、線圈組成（線圈直徑、填充係數）或材料等，這些數不勝數的細微參數。
對於部分應用程序（例如等速輸送帶），簡單的機械裝置可能就可以達到標準了，然而對於汽車一般機械裝置可能沒辦法輕易達到要求。馬達設計師要考慮大量與驅動週期相關的工作點(working points)，以選擇最佳配置。全球輕型車測試規範（WLTP）說明了加速度、等速階段點、停止階段點，都是主要的輸入。

從設計馬達的概念說起

馬達設計器主要考慮的參數，包括最大電流、最大電壓、最小功率、最大速度、轉矩需求、外部尺寸、還有溫度限制。
如果製造商欲將之前製作過的機器作為建立先新機器的基石，達到標準更嚴苛的WLTP驅動週期，設計師可以輸入舊款的機器類型，進行性能的評估再對整個驅動週期進行優化。
馬達設計師可以利用累積的經驗以及現有的設備，研發新的設計。在FluxMotor環境中，可以從內建的資料庫中使用現有零件做組裝，也可以自己從新做定義，然而使用內建的資料庫再進行參數微調或許是一個效率較高的選擇。
Altair Compose可以根據給定的拓撲做出最合適的安排。例如，大多數汽車製造商為了得到最大磁通密度選擇使用永磁馬達，然而另一些汽車製造商則避免使用磁鐵，減少磁鐵產生的副作用以及獲取稀土磁鐵（例如：釹磁鐵、釤鈷磁鐵）的困難度。

FluxMotor考慮的各種工作點，且這些工作點可以使用文本文件匯入

評估整個工作週期(duty cycle)中不同定子拓撲對機器的影響

評估整個工作週期中不同繞組結構對機器的影響

在大多數情況，選擇的是不同種類的馬達。FluxMotor可以考慮各種工作點，且這些工作點可以使用文本文件匯入。這種使用元素模型的方法比使用分析模型更為準確且有效，因為不需要等待生成結果的mcu 時間。在FluxMotor中，時間/速度/轉矩值列表內有敘述關於WLTP驅動週期。
在各種測試過程中，可以快速計算出結果圖（轉矩/速度曲線），而且也可以計算整個驅動週期的耗能以執行效能分析。

FluxMotor顯示及時效率圖

FluxMotor在整個驅動週期內，經由計算得出的完整列表

在比較階段，設計師能夠根據預期的標準，清楚地比較不同設計結果，並清除無法達到目標配置。

根據WLTP的標準優化性能

在評估整個工作週期內的馬達性能之後，下一步優化，仍要考慮驅動週期。這時，Altair HyperStudy可以幫助優化設計結果並省下耗時的HPC時間。
首先，設計師可以執行分析作業，觀察多種參數與性能之間的關係，找出有關連性的參數，以及篩選出不相關的參數。

使用HyperStudy找出影響馬達性能最大的參數

之後，HyperStudy會自動進行計算。
最後，HyperStudy會提供一系列優化過後且符合要求的馬達參數，同時提供在整個工作週期內達到的性能。
再回到FluxMotor，對馬達進行進一步的分析和比較。

工作週期效率優化前、後的比較

對於影響度很大的參數，可以嘗試根據HyperStudy運算出的結果進行適當的調整。

下一步：根據WLTP驅動週期的標準，優化動力總成

一旦選擇了在整個驅動週期內都能符合性能標準的馬達，便可以在Altair Multiphysics平台便執行進一步的測試。將FluxMotor模型導出，到Altair Flux 2D / skew / 3D進行進階電磁分析，例如：進行短路測試、研究磁體退磁、計算鐵損、執行偏心分析、評估溫度對零件的影響等。
將Flux EM模型耦合到Altair OptiStruct機械求解器，可以減少電動馬達發出的噪音，並且透過應力計算可使馬達設計得更為堅固。耦合到Altair AcuSolve CFD求解器可以進行熱分析，以實踐最有效的散熱方法。
Altair SimLab前處理器可以根據不同的物理要求，對複雜的CAD幾何進行參數化和網格劃分，並透過Altair HyperStudy進行多參數優化。之後，可以將效能最高的馬達匯入到Altair Activate中，整合變流器、電池模型以及驅動方式，在驅動週期內做整個動力總成的性能優化。

系統模擬可實現完整的動力總成並執行完整的優化，以做出最佳的決擇（例如：並聯/串聯混合動力車架構選擇）

 

想了解更多 FluxMotor 快速馬達設計、Flux 低頻與馬達分析與HyperStudy 參數優化，歡迎聯絡我們申請試用或產品展示。

• 電話 : (02)2518-9060
• 郵件 : info@agilesim.com.tw