2023电机设计仿真技术交流月：探索电机电磁结构流体多场耦合仿真解决方案

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：当前，低碳经济成为全球未来发展的主要方向，在此背景下，新能源汽车应运而生。新能源汽车具有节能减排、保护环境等多方面的优点，是解决能源危机和环境污染等问题的有效技术途径之一，也代表世界汽车产业的发展方向。新能源汽车电驱动系统的核心动力组件主要由驱动电机、减速器和电控装置等软硬件构成，它们协同工作以实现车辆的高效、高性能运行。因此，电驱动系统未来技术发展和结构安全稳定性成为新能源汽车发展的重要一部分。笔者受邀在仿真秀主办的2023电机设计仿真学习月第六期讲座带来《新能源电驱动系统结构仿真分析》技术分享，详情见后文。

自2023年10月19日-11月18日 ，仿真秀将邀请电机设计仿真资深的工程师和科研工作者，围绕油冷电机、永磁无刷电机、直线电机、盘式电机、三相感应电机和新能源电机共同探讨电机电磁结构流体多物理场耦合仿真解决方案，欢迎专家学者和工程师批评指正。

一、电驱动系统技术的发展趋势

电机是电驱动系统的核心，它的作用是将电能转换为机械能，从而推动车辆运行。在电动汽车和混合动力汽车中，常用的电机包括永磁同步电机、感应电机和开关磁阻电机等。

减速器是电驱动系统中不可或缺的部件，它的作用是将电机的转速降低，同时增加输出转矩。减速器通常由齿轮、轴承和密封件等组成，根据结构和性能的不同，可分为齿轮减速器、行星齿轮减速器和蜗轮蜗杆减速器等。不同减速器类型具有不同的优点，如行星齿轮减速器具有较高的传动效率和较小的体积，适用于高速行驶的车辆；蜗轮蜗杆减速器则具有较大的输出转矩和较低的噪音，适用于低速高负荷的车辆。

电控（电机控制单元）是电驱动系统的关键组成部分，负责对电机进行控制和调节。电机控制单元的主要功能包括：控制电机转速和扭矩以实现车辆的加速、减速和制动；控制电机冷却系统以实现电机温度调节；电机故障诊断、反馈和处理等。

峰值功率、峰值扭矩、工况效率、功率密度是电驱动系统关键技术指标；高度集成、高压化、小型化和标准化是电驱动技术发展趋势。随着技术的不断发展，未来电驱动技术的发展趋势是集成化、平台化、高效率和更高转速。这些趋势的出现和发展将带来许多机遇和挑战。

在电动汽车驱动架构方面，目前国内主要又分体式（电机、电控和减速器独立）、二合一电驱动（电机和减速器）、三合一电驱动（电机、电控和减速器）和多合一电驱动（电机、减速器、电控、车载充电机、直流变换器、高压分线盒和电池管理系统主板等）。目前，随着电驱动系统技术的发展，三合一和多合一电驱动也已成为技术主流。

图1:三合一电驱动系统

当前，三合一电驱动系统总成（电机、电控和减速器）技术也相对成熟，为了提高效率、整车高压平台也由400V升级为800V，纷纷采用扁线电机，使用油冷冷却，配备SiC功率模块等技术。由三合一向多合一电驱动发展，可以集成更多模块，节省更多空间和成本。

图2：七合一电驱动系统

七合一电驱动系统：业界首款超融合架构的动力域解决方案，集成了电机控制器、电机、减速器、车载充电机、电压变换器、电源分配单元及电池管理系统主控单元七大部件。

图3：八合一电驱动系统

八合一高效电驱系统：集成了驱动电机、减速器、驱动电机控制器、高低压直流转换器、双向车载充电器、高压配电箱、电池管理器、整车控制器八大模块。

图4：以电池包为核心七合一电驱动系统

以电池包为核心进行多合一集成方案包括电池管理系统、电池能量分配单元、电控、车载充电机、直流变换器、高压分线盒、整车控制器七大模块。

二、电驱系统的结构仿真

任何形式和结构的电驱动系统的研发都要以结构安全稳定威基础，在电驱动系统研发过程也离不开结构仿真的参与。电驱动系统由于结构部件多，设计复杂和仿真工况多等因素，这对仿真工程师来说在模型前处理、结果评估和优化等环节也是一个不小的挑战。

图5：电驱动系统结构仿真

电驱动系统结构仿真项目主要包括：

1、悬置载荷对壳体应力影响分析；

2、结构强度分析；

3、模态分析和谐响应分析；

4、扫频和随机振动分析；

5、冲击分析；

6、密封分析；

7、跌落分析；

8、热应力分析等。如壳体热应力、定子与机壳过盈、转子离心力、齿轮啮合和控制器振动等分析在开发过程也不可或缺。

以上这些内容将在2023电机设计仿真学习月第六期，我的技术讲座《新能源电驱动系统结构仿真分析》分享，点击文尾阅读原文报名。

三、电机设计仿真学习月

电机设计仿真是电机设计和优化的重要工具。通过建立数学模型、选择合适的仿真软件、设定仿真参数、进行仿真计算和分析仿真结果等步骤，设计师可以评估电机的性能、效率和可靠性，找出设计中存在的问题和不足，提出改进措施。当前，电机设计仿真的应用场景十分广泛，包括新产品研发、优化产品设计、故障预测和维护以及环保和能效分析等。

自2023年10月19日-11月18日 ，仿真秀将邀请电机设计仿真资深的工程师和科研工作者，围绕油冷电机、永磁无刷电机、直线电机、盘式电机、三相感应电机和新能源电机共同探讨电机电磁结构流体多场耦合仿真解决方案，欢迎专家学者和工程师批评指正。以下是具体安排

第一期：基于Fluent油冷电机流固热耦合仿真（点击此处观看）

第二期：永磁无刷电机电磁及多物理场联合仿真技术应用（点击此处观看）

第三期：圆筒直线电机结构设计与仿真优化应用（点击此处观看）

第四期：外转子/盘式电机设计与仿真技术应用（点击此处观看）

第五期：三相感应电机设计与流体结构仿真应用（点击此处观看）

第六期：新能源电驱动系统结构仿真分析（点击此处观看）

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总之，随着新能源电动汽车的不断发展，电驱动系统三合一是主流，多合一是趋势的发展也逐渐明朗；集成化、平台化、高效率和更高转速也是更多客户的关心点和需求。对于想加入电驱动系统研发的工程师首先要了解该行业发展趋势，其次根据个人爱好选择自己的方向，最后如果已经进入这个行业，那就多学习，多请教，沉淀技术，成就自我。

（完）

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