隨著消費者對環(huán)境的關(guān)注程度越來越高，電動汽車有望超越傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動力汽車成為新的交通工具。為了滿足消費者日益增長的需求，電動汽車與內(nèi)燃機(jī)的領(lǐng)軍制造商們正在竭力合作開發(fā)電動和混合動力汽車，為電動汽車的發(fā)展鋪平道路。大眾汽車公司便是其中之一，其位于德國卡塞爾的工廠專門從事電動機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)，日生產(chǎn) 150個電動機(jī)和 300 個混合動力電動機(jī)。

轉(zhuǎn)子是電動機(jī)的基本組件。在電動機(jī)運行過程中，轉(zhuǎn)子必須能夠在變化的轉(zhuǎn)速和扭矩下長期使用，因此必須經(jīng)過耐久性測試。但是，評估轉(zhuǎn)子疊片的強度極其耗時。于是， 大眾汽車使用 COMSOL Multiphysics® 軟件創(chuàng)建了仿真 App。該仿真App 加快了轉(zhuǎn)子的測試過程，并在降低開發(fā)成本的同時，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

平衡電磁和機(jī)械設(shè)計要求

2015 年，大眾汽車開發(fā)了一套模塊化系統(tǒng) —— 模塊化電動工具包（Modular Electrification Toolkit，MEB），用于優(yōu)化電動汽車的設(shè)計并提高生產(chǎn)效率。MEB 考慮了后輪驅(qū)動為主的全輪驅(qū)動系統(tǒng)的扭矩、功率和速度（圖 1）。此外，軸比、驅(qū)動單元、 質(zhì)量和軸距，以及高壓驅(qū)動電池的設(shè)計和放置等其他設(shè)計要求 , 在整個 MEB 設(shè)計理念中也起著重要作用。盡管 MEB 有助于優(yōu)化單個組件和整個系統(tǒng)，但設(shè)計人員必須仔細(xì)考慮如何平衡這些要求，尤其是涉及數(shù)字化、自動駕駛和電動驅(qū)動等新技術(shù)。

圖 1 MEB 示意圖，全輪驅(qū)動器（左側(cè)，車輛前部）和主驅(qū)動器（右側(cè)，車輛后部）。

自電動機(jī)開發(fā)的最初階段開始，大眾汽車的設(shè)計、仿真和測試人員就一直保持密切合作。首先，仿真專家對電動機(jī)的性能和規(guī)格進(jìn)行了考察，并研究如何通過仿真進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計。例如，對電動機(jī)進(jìn)行建模以大幅減少影響因素的數(shù)量 ；分發(fā)基于多物理場仿真模型創(chuàng)建的仿真 App，使設(shè)計人員對不同的變量進(jìn)行測試，并選擇最佳的變量。這種合作形式非常重要并且有益于整個開發(fā)流程的效率。由于仿真無法涵蓋所有現(xiàn)實問題， 因此測試在研發(fā)過程中起著重要作用。此外，試驗測試程序也有助于改善仿真模型。

“在電動機(jī)的開發(fā)過程中，必須滿足眾多要求。”大眾汽車的組件研發(fā)仿真工程師 Steffen Rothe 博士解釋道，“一方面，電動機(jī)必須滿足扭矩和功率的電氣要求 ；另一方面，轉(zhuǎn)子必須在承受以離心力為主的載荷時具有足夠的耐久性。”平衡電磁與機(jī)械設(shè)計的雙重要求具有一定的挑戰(zhàn)性，因為它們的需求并不總是一致的。例如，對于電磁要求，最好使用薄的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) ；但對于機(jī)械耐久性而言，較厚的結(jié)構(gòu)則是優(yōu)選。因此，應(yīng)該確保在電動機(jī)開發(fā)過程中盡早考慮這些需求，一種有效的方法是模擬滿足需求的所有載荷工況。Rothe 表示 ：“仿真在加速開發(fā)過程中起著重要作用。”

“許多工業(yè)仿真程序都被設(shè)計為‘黑匣子’，而 COMSOL Multiphysics® 軟件的透明度是獨一無二的。它支持用戶查看和修改被求解的方程，甚至添加自己的方程。” Rothe 說。此外，軟件從一開始就被設(shè)計為多物理場工具，使用戶可以同時模擬不同的物理問題。因此，用戶可以使用軟件耦合不同的物理場進(jìn)行創(chuàng)新性研究。但是，即使 對于仿真專家而言，分析此類復(fù)雜的物理問題也極具挑戰(zhàn)。因此，團(tuán)隊需要一種能與同事溝通， 并可供非機(jī)械仿真領(lǐng)域的專業(yè)人士測試特定參數(shù)的工具。設(shè)計人員通 過使 用 App 開發(fā)器來滿足這些需求。App 開發(fā)器 是 COMSOL Multiphysics® 軟件中的內(nèi)置工具，可以創(chuàng)建用于預(yù)測轉(zhuǎn)子中應(yīng)力分布的仿真 App。

仿真 App 提高電動汽車生產(chǎn)效率

在為同事設(shè)計一種用于評估轉(zhuǎn)子疊片的強度和耐久性的仿真 App 時，仿真專家 Marie Hermanns 和 Steffen Rothe 考慮了以下幾個因素 ：哪些部分可以自動運行，哪些參數(shù)可變，以及仿真 App 應(yīng)顯示哪些結(jié)果。


圖 2 轉(zhuǎn)子平板、軸和磁體

對于一個典型轉(zhuǎn)子模型的設(shè)置（圖 2），仿真專家認(rèn)為仿真 App 應(yīng)能自動運行載荷測試，包括干擾、溫度和運行速度。其他部門的同事均能受益于這一設(shè)計，并能自行更改參數(shù)。這些可變參數(shù)包括 ：幾何形狀、面積、干擾、接觸件、活性磁體的數(shù)量以 及材料屬性。通過考慮上述因素，Hermanns 為仿真 App 開發(fā)了一個直觀的用戶界面（圖 3），使其他同事可自由執(zhí)行他們所需的計算。


圖 3 仿真 App 用戶界面示例。

“我們的想法是為同事創(chuàng)建一個仿真 App，實現(xiàn)對不同的設(shè)計運用基準(zhǔn)程序進(jìn)行簡便、快速地測試。” Hermanns說道，“此外，對于特定問題，用戶不必了解仿真工作的具體原理，就可以使用直觀的用戶界面創(chuàng)建一個工具。”

滿足公司和客戶需求的標(biāo)準(zhǔn)程序開發(fā)

除了使大眾汽車各部門之間的開發(fā)過程實現(xiàn)自動化外，專業(yè)的仿真 App 還可以幫助工程師將轉(zhuǎn)子疊片的測試程序標(biāo)準(zhǔn)化。

仿真 App 縮短了執(zhí)行常規(guī)仿真操作（如邊界條件設(shè)置、材料屬性和載荷）所需的時間，并將這些操作標(biāo)準(zhǔn)化后集成在一個用戶界面。它的另一個優(yōu)點是，可以自動生成報告，其中包含轉(zhuǎn)子疊片的額定強度等信息，便于團(tuán)隊之間以標(biāo)準(zhǔn)化的方式進(jìn)行的交流（圖 4）。




圖 4 轉(zhuǎn)子的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)力結(jié)果。

在電動機(jī)的開發(fā)過程中，使用仿真 App 對轉(zhuǎn)子疊片進(jìn)行應(yīng)力分析，可以幫助大眾汽車的工程師節(jié)省時間和資金。通過自動運行冗長的建模過程，并輸出標(biāo)準(zhǔn)化模型和結(jié)果，仿真 App 的使用不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量，還縮短了電動車從模型到概念車再到商業(yè)化電動汽車的開發(fā)時間。