Blog

Konstrukční řešení elektrických trakčních motorů

Klíčové trendy v oblasti elektrických vozidel ukazují, že nativní platformy elektrických vozidel by mohly být budoucností mobility. Úspěch elektromobilu pro masový trh však bude záviset na tom, zda dokáže proniknout do segmentů s nižší cenou. Pohonn a baterie jsou jedním z hlavních faktorů ovlivňujících náklady.

Dnes se podíváme na odlehčení trakčních motorů.

Pokud motor není správně navržen, je ovlivněna jeho spolehlivost, což v krajním případě povede ke stažení z výroby – ovlivní název značky, cenu a související náklady na stažení výrobku. Jedním z hlavních problémů motorů je cyklické zatížení motoru, které přirozeně snižuje jeho životnost. K elektromagnetickému a tepelnému cyklování dochází během zrychlování a brzdění v důsledku vysokých tepelných ztrát během krátké doby. To může vést ke snížení spolehlivosti, zvláště pokud je chlazení nedostatečné. Jak tedy můžeme zajistit dostupnost a spolehlivost trakčních motorů a zároveň zvýšit jejich výkonovou hustotu?

K dosažení tohoto cíle lze v současnosti využít sílu simulací:

1. Simulace systému se používají k definování provozní obálky trakčního motoru za reálných provozních podmínek vozidla
2. Rychlé simulace motoru se používají k hledání počátečního návrhu, který splňuje elektromagnetické a tepelné výkony založené na FEA
3. Konečný detailní návrh se pak použije k zajištění toho, aby motor splňoval elektromagnetické a konstrukční vlastnosti, byl v souladu s NVH a chladicí systém. Je optimalizován tak, aby byl účinný v extrémních provozních podmínkách.
4. Virtuální a fyzické testy se pak používají k validaci výkonu.

Počáteční koncept motoru

Počáteční hledání návrhu motoru by mělo být v rámci omezení stanovených na úrovni systému z hlediska výkonu založeného na elektro-magneticko-termální analýze. Počáteční návrh také umožňuje rozhodnutí o konstrukci, jako je topologie motoru, mechatronická analýza na úrovni systému a vibroakustický výkon, tepelný a energetický management. Model je poté použit jako praktický základ pro optimalizaci, exportován jako 1D model pro analýzu na úrovni systému a převeden na 2 nebo 3D model pro podrobnější analýzu.

Simcenter MotorSolve automatizuje rozhraní založené na šablonách pro globální nastavení modelu, což šetří čas. Geometrie rotoru a statoru lze snadno definovat z upravitelných šablon nebo importovat jako vlastní soubory DXF. Vinutí je automaticky generováno s ustanoveními pro měnič, sloty, dimenzování vodičů a další parametry pro reálnou analýzu motoru. Chladicí systém je pak specifikován z hlediska typu, tj. neventilovaný, nucený, rozstřikovaný a z hlediska průtoků a vstupní teploty. Poté jsou přiřazeny tepelné a EM (elektromagnetické) materiály. Materiály jsou předem roztříděny podle částí motoru pro rychlé přiřazení. Je také důležité zajistit, aby motor splňoval požadovaný špičkový krouticí moment a provozní obálku krouticího momentu a otáček s přidruženou účinností. Dále mohou být analyzovány účinky měniče či napájení. Při specifikovaném jízdním cyklu je analyzován vývoj teploty v různých částech motoru. Analýza 3D teplotního pole pro hot spoty zajišťuje, že magnety a koncová vinutí jsou v rámci povolených teplotních limitů. Při specifikovaném jízdním cyklu je analyzován vývoj teploty v různých částech motoru. Analýza 3D teplotního pole pro hot spoty zajišťuje, že magnety a koncová vinutí jsou v rámci povolených teplotních limitů. Efektivní využití materiálů jádra je hodnoceno výpočtem lokálních magnetických polí při plném zatížení. Nakonec lze analýzu snadno sdílet pomocí reportu, který může kromě jiných parametrů zahrnovat geometrii motoru, specifikaci a analýzu výkonu.

1D model lze poté exportovat do Simcenter Amesim pro systémovou mechatronickou analýzu. V tomto případě se lze ujistit, že motor splňuje požadavky na točivý moment vozidla. Model lze také exportovat do Simcenter Flomaster pro bilanční analýzu energie a tepla. V tomto případě je analyzován vliv motoru na systém při různých konfiguracích chlazení pro daný hnací cyklus. Podpora exportů na úrovni 1D systému zajišťuje, že původní návrh motoru splňuje systémové požadavky.

Rychlá analýza motoru nám proto pomůže dospět k praktickému počátečnímu konceptu motoru, který splňuje EM a tepelné požadavky a zároveň snižuje rizika systémové integrace.

Detailní design motoru

V detailním návrhu motoru můžeme zvážit:

• extrémní provozní podmínky,
• význam kritických efektů,
• analýza na základě dostupných materiálů
• vyrobitelnost.

Podrobná 3D analýza EM motoru, která je nutná pro generování přesných EM zdrojů tepla s uvážením 3D konečných efektů, které jsou při 2D nebo 2,5D analýze zanedbávány nebo aproximovány. V Simcenter Magnet 3D model motoru generuje přesné EM tepelné ztráty tím, že obsahuje koncové efekty. Model má přiřazen reálné materiály, následně jsou definovány vlastnosti permanentních magnetů. Cívky a obvod jsou pak nastaveny tak, aby napájely vinutí. Síť (diskretizace) ve vzduchové mezeře, která je kritickou oblastí v motoru, je řízena tak, aby se zabránilo nadměrnému zjemnění, což šetří čas výpočtu. Lze nastavit rotační pohyb rotorua parametry transientní analýzy. Při analýze výkonu kontrolujeme efektivní využití materiálu jádra analýzou magnetického zatížení. Musíme také zajistit, aby magnety nebyly při tomto zatížení demagnetizovány.Dále lze posoudit elektromagnetické tepelné ztráty v důsledku 3D koncových efektů na magnetech a koncových vinutích. 

Detailní návrh je reálnější, protože jeho analýza je založena na přesnějším modelu využívajícím dostupné materiály v rámci výrobních omezení a jeho EM výkon by měl být zajištěn v extrémních provozních podmínkách.

Ověření virtuálního motoru

Detailní návrh motoru je nakonec virtuálně ověřen, aby bylo zajištěno, že splňuje elektromagnetická, tepelná a mechanická omezení.

Provozní stav motoru, který je závislý na provozní teplotě, musí být ověřen pro extrémní podmínky a také musí být zmírněn proti rizikům, která mohou ovlivnit jeho životnost.

Optimalizace chlazení motoru pomocí CFD by mohla být provedena tak, aby bylo zajištěno, že je v mezích magnetů a tepelné izolace. Je možné importovat geometrii ze Simcenter Magnet do Siemens NX. Simcenter FLOEFD lze pak použít i přímo v Catia V5, PTC Creo a Solid Edge.

Výsledky teplotní analýzy, které byly získány z předchozí elektromagnetické simulace v Simcenter MAGNET, jsou aplikovány na odpovídající komponenty. Hlavní cílem analýzyy je výpočet teploty vinutí a tlaková ztráta. Musí být ověřena celková funkčnost motoru, která závisí na jeho izolaci a teplotních limitech magnetů, aby byl zajištěn jeho provoz za všech předvídatelných podmínek a byla zaručena jeho životnost.