｜車用馬達最佳化設計與分析

摘要：本文提出一車用馬達最佳化設計方法，解析車輛行車模態與驅動馬達力矩與速度曲線之關係，定義馬達設計最佳化之指標。以提升車用馬達都市行駛行車模態（Urban Dynamometer Driving Schedule, UDDS）的平均效率為目標，應用最佳化設計流程之手法進行設計改善。本研究之最佳化手法採用最佳化軟體Optimus與電磁分析軟體Maxwell之整合分析，利用Optimus自動化修改Maxwell軟體參數之方法達成最佳化設計。其最佳化流程為建立目標馬達分析模型，設定最佳化之參數與目標，並建立最佳化軟體與分析軟體之連結，最終使用Optimus之設定最佳化方法進行分析，得到最佳化設計結果。應用此最佳化設計流程，得到之馬達最佳化設計，其UDDS平均效率提升2 %，後續將會以此設計結果進行製造與測試驗證，後續將針對此設計結果進行製造開發驗證。

Abstract: This research presents an optimal design process of a traction motor for electric vehicles. The design target is to improve the driving efficiency of the motor when it is used for driving an electric vehicle according to the urban dynamometer driving schedule (UDDS). The optimization process is performed by integrating Optimus, an optimization software, and Maxwell, an electromagnetic analysis tool. The design parameters of the electromagnetic model in Maxwell are automatically tuned by the optimization algorithm in Optimus. Simulations show that the resulting motor design improves the UDDS driving efficiency by 2%, and this will be verified by fabricating a prototype motor.

關鍵詞：車用馬達、最佳化設計、高效率

Keywords：Traction motor, Optimization design, High efficiency

前言
因應全球石化能源短缺，車輛以從過去的引擎車逐漸轉變為電動車。但電動車因電池功率密度不足，造成電動車巡航里程不如引擎車。在電池技術尚未有進一步的突破，馬達與驅動系統之效率提升便更加重要。本研究針對百瓩功率等級之感應馬達，以UDDS平均效率之最佳化為目標，並應用最佳化與分析軟體耦合之方法執行自動參數最佳化設計流程，得到最佳化設計結果。為提升UDDS效率，設計出適合車用之電動動力馬達。本文先簡介最佳化設計軟體Optimus之功能，並說明使用Optimus與分析軟體之耦合流程。接著針對Optimus與馬達電磁分析軟體Maxwell之整合應用，並發展一馬達最佳化設計流程，應用此一流程進行百瓩功率等級感應馬達最佳化設計，比較設計前後之性能差異。以下將說明最佳化設計方法之流程，以及如何定義合適之效率目標，最終應用此一流程方法進行最佳化設計，得到高效率車用動力馬達設計。

車用馬達效率最佳化目標展開
車用馬達與一般工業馬達的不同在於車用馬達操作範圍廣，單一操作點的效率無法代表車用馬達操作時的效率表現，且馬達的高效率區也需要針對車輛的行駛特性進行改變。當進行車用馬達效率提升設計時，難以清楚定義改善目標，使設計工作難以進展。工研院機械所為針對車用馬達效率提升目標有清楚之定義，建立一車用馬達最佳化設計流程，以下將針對各流程之成果進行簡介：

2.1 最佳化設計流程
完整車用馬達最佳化設計流程如圖1，根據目標車輛決定加速度、爬坡與極速等性能，經由車輛計算軟體得到馬達力矩與速度（torque and speed, TN）曲線。從車輛定位決定合適的行車模態，若是市區行駛則使用UDDS，並利用MIL之方法得到車輛在馬達TN曲線上的操作點。MIL （model in the loop）是使用車輛分析軟體CarSim，輸入目標馬達的TN曲線模擬車輛以行車模態操作時動力馬達對應到之力矩與轉速並記錄。將馬達操作點記錄於TN曲線上，密集的部分代表馬達經常性操作區，該區域之馬達效率是必須提升之重點。故馬達設計時，最佳化的目標為該區域之效率最佳化，而非傳統馬達設計時是單一最高效率之提升。最佳化設計完成後，檢視結果並確認是否達成設計目標，最終完成設計。