虚拟孪生与多物理场仿真帮助解决电力驱动系统开发

了解如何将虚拟孪生与多物理场仿真技术集成，以帮助解决电力驱动系统开发中固有的挑战。用于电力驱动开发的虚拟孪生技术 – 利用可再生能源

动力总成是现代交通和移动性的关键推动因素。自工业革命以来，技术进步推动了制造动力总成系统的激增，其功率、速度和多功能性不断提高。特别是，电力驱动系统在将电能转化为机械运动方面发挥着至关重要的作用。它们对于高效和清洁地利用可再生能源至关重要，包括回收原本会被浪费的多余能源。

在电力驱动系统中，将紧密耦合的机械、电气和电磁组件集成到一个高度紧凑的系统中，需要在恶劣条件下运行，这是一个复杂、受限的多物理场设计优化问题。尽管计算机辅助工程 （CAE） 已得到广泛采用，但设计决策通常是通过嵌套、顺序迭代做出的，并且通常依赖于保真度各不相同的异构数据。这可能会大大限制下游性能优化的可能性。虚拟孪生在整个设计过程中作为一致的参考，可以与多物理场仿真技术集成，以帮助解决电驱动系统开发中固有的挑战。

电机初始设计

负责将电力转换为机械动力的电机（反之亦然，在制动或减速期间）对于在较宽的速度范围内高效可靠地提供扭矩，最大限度地减少热、噪音和振动等不良影响至关重要。尤其是永磁电机，尽管稀土材料的成本很高，但因其高功率密度而被广泛使用，并体现了相关的设计挑战。它们的效率（或热损失）、扭矩大小和质量以及运行速度范围对磁铁、绕组以及定子和转子的铁芯的配置高度敏感。

使用与计算机辅助设计 （CAD） 系统紧密集成的 CAE 工具，可以高效、准确地进行电驱动电机的设计。高保真 CAE 工具采用有限元方法进行电磁、结构和热分析，并且可以轻松结合各种条件和场景。

图 1：左：3D 电机 CAD 模型示例，右：电机模型针对 V 形（顶部）和 I 形（底部）磁层进行仿真，以评估各种速度下的最大可持续机械功率输出、高速下的结构应力和最大功率工作条件下的磁通密度。

如图 1 所示，从 V 形磁层（由于其在更宽的速度范围内具有更高的效率而常用于牵引应用）切换到 I 形磁层（以提供更高的扭矩和减少的扭矩纹波而闻名）后，只需更改少量参数即可产生显着的性能差异。这是通过利用参数化草图、2D CAD 模型和电机仿真模型之间的数据关联性来实现的。在实践中，无论是使用单层还是多层，都可以优化磁体和磁孔参数以实现最佳的整体性能。

电机热

电机的有效冷却策略不仅对于实现峰值和持续性能至关重要，而且对于确保长期可靠性也至关重要。这些策略可能包括定子和转子铁芯冷却、槽冷却和端部绕组冷却的各种组合。端部绕组特别容易受到热问题的影响，因为尽管它们是主要的热源，但它们没有被导热材料（如铁芯）包围，而导热材料会促进散热。为了解决这个问题，可以使用低温喷油器直接冷却这些组件。

图 2：模拟分配油冷却剂的弧形管道，以评估管道内的静压和电机中定子的表面温度。

如图 2 所示，当来自顶部入口的油通过多个喷油器分配时，喷嘴数量及其角度位置的变化会影响油表面覆盖率和随后的滴落模式。管道的角度长度以及冷却剂喷嘴的数量、位置和方向都进行了参数化。与左侧的配置（5 个喷嘴间距超过 125 度）相比，右侧的配置（具有 9 个超过 180 度的喷嘴）需要较低的压力来驱动冷却液，但会导致定子温度明显升高。涉及高速旋转转子、内部气流和外部因素（如车辆加速和减速）的复杂相互作用使情况变得更加复杂。在这种情况下，通过仿真有效地探索不同的配置对于实现最佳冷却性能而不冒系统故障风险至关重要。

多物理场电力驱动

电驱动系统的外壳必须重量轻，同时在恶劣的工作条件下确保足够的结构刚度、抗振性和耐用性。在许多情况下，只有在做出重大设计决策后，其可靠的性能评估才变得可行，此时设计空间受到相当大的限制。然而，由虚拟孪生技术实现的多物理场、多保真度设计框架可以在开发的早期阶段大大提高设计优化的有效性。

图 3：旋转齿轮和齿轮啮合将润滑剂从低速轴输送到中速轴和高速轴，高速轴以 1000 rpm 的速度运行。

例如，齿轮部件的外壳厚度和内部间距会影响多个性能目标，包括齿轮润滑效率、传动损耗和结构振动行为。如图 3 所示，与设计 1 相比，设计 2 的特点是中速轴间距显著增加，从而获得润滑更好（干式更少）的高速小齿轮并减少扭矩损失。相比之下，设计 3 将适度的中速轴间距与高速轴间距的大幅增加相结合，改善了高速小齿轮的润滑，同时也抑制了高速轴轴承的振动——尽管重量略有增加。这种使用概念壳模型的并发多物理场性能评估可实现高效的多目标设计权衡。

图 4：在高速轴承位置测量的电驱动装置的振动特性在整个运行速度范围内进行模拟。

另一方面，其他壳体特征（例如加劲肋和带紧固件的壳体裂缝）可以合并到参数化壳模型中，从而大大扩展了设计空间。这种适应性有助于在整个过程中保持设计和工程知识的一致性，如图 4 所示。在左侧的分析中，各种激励源（例如电磁力以及由齿轮和轴承产生的激励源）被考虑在一个简化模型中，该模型使用基本外壳和齿轮减速器组件的刚体表示，从而可以加快周转速度。相比之下，右侧的分析结合了更详细的房屋模型，使用考虑结构模式的特征模板和灵活的体表示，从而提高了准确性。

结论

虚拟双胞胎技术通过将建模和仿真统一为一种无缝、强大的工程方法，正在改变电力驱动系统的开发。随着系统级参数化和标准化多物理场仿真实践的不断发展，电驱动工程在速度、准确性和协作性方面达到了新的高度。与此同时，全球对可再生能源的推动正在加速电力驱动创新和虚拟孪生技术之间的协同作用，提供比以往任何时候都更智能的设计、更快的迭代和更可持续的结果。