模拟的民主化促进了电气化

作者:Pierre millitaler，舍弗勒汽车Buehl GmbH & Co. KG，电子机械仿真(FE)和方法开发

如果您部署了一个既省时又省钱的软件应用程序，但是您公司的员工却不愿意使用它，因为他们觉得自己缺乏必要的专业知识，那该怎么办?

随着技术变得越来越复杂，这种情况正在世界各地的企业中展开。例如，对设计仿真软件的深入理解通常由一个部门负责，或者只属于一两个专家，而说服其他人使用新平台可能很难。即使是在其他复杂程序方面经验丰富的工程师和设计师也可能会退缩，他们更愿意只使用自己最熟悉的技术。

但是，要利用仿真软件提供的好处，并不需要成为底层技术方面的权威。这就是民主化的意义所在:使软件以一种所有用户都可以在没有深厚知识的情况下成功运行的方式访问。

具有峰值和连续转矩速度要求的效率图

在更短的时间内进行10倍以上的模拟

舍弗勒集团为汽车行业设计先进的系统和部件，包括电动和混合动力汽车的动力总成。最近，舍弗勒电子机械工程方法与仿真团队(在新工具部署期间为舍弗勒其他部门提供支持)的民主化工作集中在创建一个计算效率高的工作流程上，该工作流程将实现多物理场、多目标的电机设计优化。

具体来说，这组人是耦合的Ansys Motor-CAD，领先的电机设计软件，拥有Ansys optiSLang，一个过程集成和变异分析的平台。结果是一种即用型的、基于占空比的优化方法，它将帮助产品设计师识别现实条件下电子机器的行为与特定几何参数之间的关系

现在，舍弗勒的设计师和工程师在整个企业范围内都有一个更好的从设计到验证的工作流程，可以减少对昂贵的物理原型的依赖。元模型可以大大增加可以执行的优化迭代的数量，而只需要在直接对有限元模型进行模拟时所需时间的一小部分。在能源转型的时代，电气化计划正在兴起，对功能强大但价格合理的电动机器的需求也在不断增长，这将使舍弗勒能够比以往更快、更好地满足客户需求。

现在，舍弗勒的设计师和工程师在整个企业范围内都有一个更好的从设计到验证的工作流程，可以减少对昂贵的物理原型的依赖。

驱动循环效率仿真

克服软件采用的障碍

舍弗勒帮助塑造未来的流动性。他们的产品代表了一系列惊人的过程和学科:物理学的不同方面，各种热状态，机械工程和电气工程等。由于Motor-CAD能够在全扭矩工作范围内生成多物理场模拟，因此很容易看出该软件如何适合舍弗勒工具包。特别是，它将允许具有某一领域专业知识(例如电磁学)的设计师无需获得额外知识即可绘制电机设计的整个电气和热行为的性能图。

在其他活动中，舍弗勒仿真部门开发独立的工具和工作流程，帮助采买团队快速执行计算并显示特定的结果。他们还参与评估现有软件的潜力，并在公司内部进行推广。

几年前，他们将注意力转向了Motor-CAD。自从评估了它的潜力并在公司内部推广使用以来，舍弗勒内部的用户数量一直在增加。舍弗勒仿真工程师开发了一种基于元模型的方法，将Motor-CAD和opti俚语结合在一起，在早期设计阶段优化电驱动器内磁铁的放置，这在一定程度上归功于舍弗勒仿真工程师开发的一种基于元模型的方法。磁铁有助于确定驱动器内的机械功率，因此优化它们的体积、形状和其他变量有两个目的。首先，磁铁非常昂贵;使用满足性能要求的最小磁铁有助于降低电机的总体成本。此外，几何优化有助于最大限度地减少在特定驱动周期内电力驱动转子和定子中改变性能的铁、磁铁和交流或直流绕组损耗。

两个几何参数与连续转矩关系的元模型可视化

评估100种不同的几何形状

无论工程师选择哪种算法，运行优化都涉及多次迭代，这可能需要相当长的计算时间。一个单一的有限元模型模拟需要35分钟的时间，这并不罕见。

为了更快地生成结果，舍弗勒在opti俚语中计算了一个元模型，然后使用该软件运行优化。这使他们能够在几分钟内运行数千次优化迭代。

舍弗勒总共模拟了100种不同的几何形状，评估了每个设计变量(包括磁铁厚度)在每个操作点的影响。元模型还考虑了给定占空比的总能量损失，这是优化目标之一。使用嵌入在Motor-CAD中的一个占空比，舍弗勒的仿真工程师还能够评估整个占空比的综合热损失。

帕累托前，多个优化设计概念展示了电子机器成本和驱动循环效率之间的权衡

有信心做得更多，包括让客户满意

在预处理过程中，目标是将轴转矩和转子转速之间的关系定义为在不同占空比和峰值或连续运行期间变化的设计变量(输入值或参数)。

然后，舍弗勒使用Motor-CAD对不同输入参数(槽深度、磁铁厚度和宽度、电桥厚度、磁体阵列角度和极弧)的变化进行建模，以确定工作点的转矩变化。使用嵌入在Motor-CAD中的一个占空比，舍弗勒的仿真工程师还能够评估整个占空比的综合损失，包括热量损失。由于客户希望每个工作点至少提供一定的扭矩值，因此输入参数为优化器提供了约束。

结果表明，与初始设计相比，特定磁铁尺寸的组合使磁铁体积增加了23%。

此时，舍弗勒仿真工程师分析了opti俚语中输入值和输出值之间的关系。由于仿真软件允许他们生成精度大于95%的元模型，因此Schaeffler有信心为所需算法计算所有优化样本，并且无需在Motor-CAD中重复任何仿真。

仿真小组还验证了最佳磁体设计，以满足性能要求，同时最大限度地减少总损耗和磁体体积。结果表明，与初始设计相比，特定磁铁尺寸的组合使磁铁体积增加了23%。

最后，舍弗勒的工作将直接转化为更高的客户满意度:当汽车制造商要求优化特定的操作参数时，舍弗勒可以比以往更快地提供最有前途的概念。

根据相同的优化工作流程，在不同的转子概念之间进行选择，以满足相同的要求

跟上速度

通过结合前置加载方法，舍弗勒创建了一个高效灵活的工具，使产品设计师和工程师能够对任何电机概念使用相同的优化工作流程，并在几分钟内获得结果。利用有限元分析模拟100个样本需要50个小时，而基于元模型的优化可以在几分钟内模拟10000个样本。

元模型还消除了通常与新软件相关的陡峭学习曲线，这意味着它可以帮助舍弗勒的工程师和设计师立即提高生产效率，并与汽车客户保持同步。

不同优化设计理念的效率对比图