Kľúčové trendy v oblasti elektrických vozidiel ukazujú, že budúcnosťou mobility by mohli byť pôvodné platformy elektrických vozidiel. Úspech elektromobilu pre masový trh však bude závisieť od jeho schopnosti preniknúť do lacnejších segmentov. Elektrický pohon a batéria sú jedným z hlavných faktorov ovplyvňujúcich náklady.
Dnes sa pozrieme na odľahčenie trakčných motorov.
Ak motor nie je správne navrhnutý, ovplyvní to jeho spoľahlivosť, čo v krajnom prípade povedie k stiahnutiu z trhu – ovplyvní to meno značky, cenu a súvisiace náklady na stiahnutie výrobku. Jedným z hlavných problémov motorov je cyklické zaťažovanie motora, ktoré prirodzene znižuje jeho životnosť. Pri zrýchľovaní a brzdení dochádza k elektromagnetickému a tepelnému cyklovaniu v dôsledku vysokých tepelných strát v krátkom čase. To môže viesť k zníženiu spoľahlivosti, najmä ak je chladenie nedostatočné. Ako teda zabezpečiť dostupnosť a spoľahlivosť trakčných motorov a zároveň zvýšiť ich výkonovú hustotu?
Na dosiahnutie tohto cieľa možno v súčasnosti využiť silu simulácií:
- Simulácie systému sa používajú na definovanie prevádzkovej obálky trakčného motora v reálnych prevádzkových podmienkach vozidla.
- Rýchle simulácie motora sa používajú na nájdenie počiatočného návrhu, ktorý spĺňa elektromagnetické a tepelné parametre založené na metóde konečných prvkov.
- Konečný podrobný návrh sa potom používa na zabezpečenie toho, aby motor spĺňal elektromagnetické a konštrukčné charakteristiky, bol v súlade s NVH a chladiacim systémom. Je optimalizovaný tak, aby bol účinný v extrémnych prevádzkových podmienkach.
- Na overenie výkonu sa potom používajú virtuálne a fyzické testy.
Počiatočný koncept motora
Počiatočné hľadanie konštrukcie motora by malo byť v rámci limitov stanovených na úrovni systému z hľadiska výkonu na základe elektro-magneticko-tepelnej analýzy. Počiatočný návrh tiež umožňuje prijať rozhodnutia o návrhu, ako je topológia motora, mechatronická analýza na úrovni systému a vibroakustický výkon, tepelný a energetický manažment. Model sa potom používa ako praktický základ pre optimalizáciu, exportuje sa ako 1D model na analýzu na úrovni systému a konvertuje sa na 2 alebo 3D model na podrobnejšiu analýzu.
Simcenter MotorSolve automatizuje rozhranie založené na šablónach pre globálne nastavenie modelu, čím šetrí čas. Geometrie rotora a statora možno jednoducho definovať z upraviteľných šablón alebo importovať ako vlastné súbory DXF. Vinutie sa automaticky vygeneruje s ustanoveniami pre menič, drážky, dimenzovanie vodičov a ďalšie parametre na analýzu skutočného motora. Chladiaci systém sa potom špecifikuje z hľadiska typu, t. j. neventilovaný, nútený, rozprašovaný, a z hľadiska prietoku a vstupnej teploty. Potom sa priradia tepelné a EM (elektromagnetické) materiály. Materiály sú vopred roztriedené podľa častí motora, aby sa dali rýchlo priradiť. Dôležité je tiež zabezpečiť, aby motor spĺňal požadovaný maximálny krútiaci moment a prevádzkový rozsah krútiaceho momentu a otáčok so súvisiacou účinnosťou. Okrem toho sa môžu analyzovať vplyvy meniča alebo napájania. Počas zadaného jazdného cyklu sa analyzuje vývoj teploty v rôznych častiach motora. 3D analýza teplotného poľa pre horúce miesta zabezpečuje, že magnety a koncové vinutia sú v povolených teplotných limitoch. Počas zadaného jazdného cyklu sa analyzuje vývoj teploty v rôznych častiach motora. 3D analýza teplotného poľa pre horúce miesta zabezpečuje, že magnety a koncové vinutia sú v rámci povolených teplotných limitov. Efektívne využitie materiálov jadra sa vyhodnocuje výpočtom lokálnych magnetických polí pri plnom zaťažení. Nakoniec sa analýza dá jednoducho zdieľať pomocou správy, ktorá môže okrem iných parametrov obsahovať geometriu motora, špecifikáciu a analýzu výkonu.
1D model sa potom môže exportovať do programu Simcenter Amesim na mechatronickú analýzu systému. V tomto prípade sa môžete uistiť, že motor spĺňa požiadavky na krútiaci moment vozidla. Model možno tiež exportovať do programu Simcenter Flomaster na analýzu energetickej a tepelnej bilancie. V tomto prípade sa analyzuje vplyv motora na systém pri rôznych konfiguráciách chladenia pre daný cyklus pohonu. Podpora exportu na úrovni 1D systému zabezpečuje, že pôvodný návrh motora spĺňa požiadavky systému.
Rýchla analýza motora nám preto pomôže dospieť k praktickej počiatočnej koncepcii motora, ktorá spĺňa EM a tepelné požiadavky a zároveň znižuje riziká integrácie systému.
Podrobný návrh motora
Pri podrobnom návrhu motora môžeme zvážiť:
- extrémne prevádzkové podmienky,
- význam kritických účinkov,
- analýza na základe dostupných materiálov
- vyrobiteľnosť.
Podrobná 3D analýza EM motora, ktorá je potrebná na vytvorenie presných EM zdrojov tepla, zohľadňujúca 3D konečné účinky, ktoré sa pri 2D alebo 2,5D analýze zanedbávajú alebo aproximujú. 3D model motora Simcenter Magnet generuje presné EM tepelné straty zahrnutím koncových efektov. Model má priradené skutočné materiály, potom sú definované vlastnosti permanentných magnetov. Cievky a obvody sú nastavené tak, aby napájali vinutia. Sieť (diskretizácia) vo vzduchovej medzere, ktorá je kritickou oblasťou v motore, je riadená tak, aby sa zabránilo nadmernému zjemneniu, čo šetrí čas výpočtu. Možno nastaviť rotačný pohyb rotora a parametre prechodovej analýzy. Pri výkonnostnej analýze kontrolujeme efektívne využitie materiálu jadra pomocou analýzy magnetického zaťaženia. Musíme tiež zabezpečiť, aby sa magnety pri tomto zaťažení nedemagnetizovali. Je možné posúdiť aj elektromagnetické tepelné straty spôsobené 3D koncovými účinkami na magnety a koncové vinutia.
Podrobný návrh je realistickejší, pretože jeho analýza je založená na presnejšom modeli s použitím dostupných materiálov v rámci výrobných obmedzení a jeho EM výkon by mal byť zabezpečený v extrémnych prevádzkových podmienkach.
Virtuálne overenie motora
Podrobný návrh sa potom virtuálne overí, aby sa zabezpečilo, že spĺňa elektromagnetické, tepelné a mechanické obmedzenia.
Prevádzkový stav motora, ktorý závisí od prevádzkovej teploty, sa musí overiť pre extrémne podmienky a musí sa tiež znížiť riziko, ktoré môže ovplyvniť jeho životnosť.
Optimalizácia chladenia motora CFD by sa mohla vykonať s cieľom zabezpečiť, aby bolo v rámci magnetov a tepelnej izolácie. Je možné importovať geometriu zo Simcenter Magnet do Siemens NX. Simcenter FLOEFD sa potom môže používať aj priamo v programoch Catia V5, PTC Creo a Solid Edge.
Výsledky tepelnej analýzy, ktoré boli získané z predchádzajúcej elektromagnetickej simulácie v programe Simcenter MAGNET, sa použijú na príslušné komponenty. Hlavným cieľom analýzy je výpočet teploty vinutia a poklesu tlaku. Musí sa overiť celková funkčnosť motora, ktorá závisí od jeho izolácie a teplotných limitov magnetov, aby sa zabezpečila jeho prevádzka za všetkých predvídateľných podmienok a zaručila sa jeho životnosť.
