安德烈亚斯菲曼博士（Dr.-Ing. Andreas Viehmann）、

　　迈克尔施拉姆（Michael Schramm）、

　　伦纳特本特勒（Lennart Benthele）

　　EDAG 工程有限公司（EDAG Engineering GmbH）

　　摘要

　　电驱动单元的开发极为复杂，需综合考量性能、集成布置、噪声振动与声振粗糙度（NVH）等多方面要求。因此，当今的设计流程具有大量开发循环和迭代的特点。尤其是 CAD（计算机辅助设计）与 CAE（计算机辅助工程）等领域间存在众多接口的串行开发模式，导致流程耗时冗长。为缩短开发周期，EDAG 公司采用了创新的生成式工程方法。其核心思路是：不再沿用传统的手动开发流程，而是通过一种类似 DNA 的设计原则对零部件进行描述，从而实现开发流程的自动化。

　　为实现开发流程中工作流的自动化，EDAG 公司采用了 ELISE 软件。该方法不再直接创建零部件本身，而是将零部件的生成路径设定为设计原则。一旦设计原则确定，工作流便可根据需求反复运行，且边界条件可灵活调整。为验证该创新方法的潜力，本文实现了电驱动定子中发卡式端部绕组的三维设计自动化。基于槽数、绕组方案等输入参数，发卡式绕组的三维几何模型将依据 DNA 中植入的设计原则自动生成。流程优化结果表明，发卡式绕组的设计开发时间显著缩短。该方法的愿景是实现整个电驱动单元开发的自动化。

　　关键词：自动化工程、电驱动单元、发卡式绕组

　　1 引言

　　电气化趋势正快速推进。除储能系统外，电驱动系统对电动汽车的用户体验起着至关重要的作用。电动汽车通常以高加速等动态驾驶特性、低噪声水平以及整体高舒适性为主要优势。另一方面，电动汽车领域仍有多个方面需持续改进，包括提升效率以增加续航里程、降低成本以及增强可持续性。

　　以包含电力电子设备、电机和固定速比变速器的集成式电驱动单元（EDU）为例，其需满足如图 1 所示的多项技术要求。例如，优异的驾驶动力学性能与动力输出直接取决于磁路设计、热管理系统及控制策略；而效率的提升则意味着损耗降低，进而减少发热量、降低能耗并延长续航里程。除与车辆性能、续航及用户体验相关的特性外，电驱动单元还需满足车辆集成布置、制造装配等工程层面的要求。

图 1：电驱动单元的要求

　　这些要求涉及电气、机械、热学等多个领域，各目标与特性既相互关联，部分情况下又存在冲突，因此电驱动单元的开发难度极大，形成了耗时、耗成本的复杂开发流程。

　　作为移动出行行业全方位、独立的工程服务提供商，EDAG 集团正致力于下一代集成式电驱动单元的研发。为向客户提供更优质的服务，EDAG 持续优化其开发流程。

　　2 基于 DNA 的开发流程

　　传统开发流程从初始需求到量产阶段，包含大量手动、依赖人工且耗时的步骤（见图 2）。首先生成设计方案，随后移交至手动 CAD 设计环节；基于 CAD 设计的当前版本进行仿真与验证；根据仿真结果更新 CAD 模型，并重新启动仿真流程。当该迭代过程取得满足基本要求的理想结果后，方可启动生产规划，最终实现零部件的量产。每个开发步骤中，通常采用特定的、需手动操作的软件，且过程数据链中存在断层（例如不同软件间的数据衔接问题）。

图 2：传统开发流程

（图注：需求→概念设计→CAD 设计→仿真 / 验证→生产规划→量产；核心特点：手动、依赖人工、耗时、迭代）

　　为克服传统开发流程的局限性，EDAG 正积极引入新型数字化工具，以更快速度开发更优质的产品。

　　其核心思路是：摒弃传统手动开发流程，通过一种类似 DNA 的设计原则对零部件进行描述，实现开发流程的自动化。该技术 DNA 包含所有关键设计原则，如参数化模型或拓扑优化算法（见图 3）；此外，功能分析与生产分析也可植入 DNA 中。为实现数据的连续流动，可定义与 CAD、CAE 仿真等外部软件的接口。基于技术 DNA 中定义的零部件结构，每个零部件均可根据环境边界条件进行自适应调整。因此，这种新型开发流程遵循自然规律，而非依赖人工操作。

图 3：技术 DNA 的核心思路

（图注：技术 DNA 涵盖设计原则、功能分析、生产分析；关联需求、外部软件接口（如仿真、成本分析）；涉及静态、热学等多维度特性）

　　目前，EDAG 已在多个应用场景中践行了技术 DNA 的核心思路。图 4 列出了部分应用案例，包括 ISOFIX 支架 [1]、轮辋支架的自动化设计以及电机发卡式绕组的设计。下一章将重点阐述该新型开发流程在发卡式绕组设计中的优势。

图4：组件自动化开发的使用场景

（图注：ISOFIX 支架（增材制造）、轮辋支架（压铸工艺）、电机（发卡式折弯工艺））

　　3 电机发卡式绕组的自动化设计

　　电机的绕组技术对运行特性（如性能、损耗、噪声）具有重要影响。目前，发卡式绕组因其具备自动化生产、设计空间优化及高性能等优势，在汽车行业的电驱动单元中得到广泛应用。发卡式绕组的拓扑结构通常通过分区图定义，该分区图明确了定子各层、各槽中导体与绕组相序的对应关系。在电机电磁设计阶段，为优化运行特性并满足不同目标要求，分区图往往需要多次调整。由于分区图仅描述电机有效长度内槽部的绕组布局，端部绕组中不同导体的连接方式需通过绕组方案进一步明确（见图 5）。理论上，发卡式导体的直接连接方式无固定标准，因此存在多种可能的连接方案 [2]。

　　基于绕组方案进行三维设计。端部绕组的连接部分为无源结构，不参与扭矩生成，因此需尽可能减小其长度与质量。由于该设计具有复杂性和高度设计自由度，手动迭代设计难以获得最优解 [3][4]；此外，分区图或连接方案的任何变更都需要重新设计端部绕组。这导致发卡式绕组的开发过程包含大量迭代，造成开发周期长、成本高的问题。通过采用生成式自动化流程，有望在提升技术特性的同时，缩短开发时间并降低成本 [5]。

图 5：发卡式绕组的设计流程

（图注：分区图→绕组方案→定子绕组的连接 / 设计）

　　基于 DNA 的开发流程示意图如图 6 所示。该流程中，DNA 通过 ELISE 软件实现，输入参数包括绕组方案、定子几何参数及导体几何参数等。根据绕组方案，自动生成每个发卡式导体及相连接引脚；在 DNA 内部执行拓扑优化，在设定范围内调整设计参数，以减小端部绕组的长度与质量；最终可将发卡式定子的三维模型导出为 STEP 文件。

图6：采用ELISE-DNA技术的发卡绕组自动化开发流程

（图注：输入参数（绕组方案、几何参数（定子槽、导体））→组件 DNA（ELISE 软件）→输出结果）

　　优化结果总结如图 7 所示。通过自动化设计流程，零部件相关参数与流程相关指标均得到改善：技术层面，与手动设计的参考样机相比，端部绕组长度缩短 6%，铜材质量减少 7.5%，同时降低损耗；工程流程层面，开发时间缩短 50%，开发成本降低 30%[6]。

图7：手动与优化发夹式端部绕组设计的对比

　　（图注：对比维度：零部件优势（端部绕组长度、铜材质量、损耗）、工程优势（开发时间、开发成本）；手动设计发卡式定子 vs 自动化优化发卡式定子；结果：长度 - 6%、铜材质量 - 7.5%、开发时间 - 50%、开发成本 - 30%（均相对于参考样机的手动绕组设计））

　　4 接触桥的自动化设计与计算

　　作为电机领域的第二个应用案例，本文实现了接触桥的设计、优化与计算自动化。接触桥是电机总成中的关键零部件，用于连接定子的相供电端与电力电子设备（见图 8）。该注塑成型零部件安装于电机壳体上，需承受螺钉紧固力、振动及热膨胀等载荷。

图8：连接定子相位电源与电力电子设备的接触桥布局

　　接触桥的开发流程需对结构进行优化，目标是减小质量、控制机械应力并确保可制造性。这些要求导致设计变更（如因边界条件变化引发的调整）耗时冗长 —— 开发阶段中，与壳体的连接点或相连接位置的变更较为频繁。

　　自动化开发流程如图 9 所示：第一步，定义零部件的允许设计空间（受相邻零部件限制）；其次，输入相连接与壳体安装的固定螺钉位置参数，并加载有限元法（FEM）仿真的载荷工况；在完成所有输入参数与边界条件定义后，执行拓扑优化（拓扑优化与接触桥网格划分需通过外部软件接口实现）；优化结束后，对基础结构进行后处理，根据注塑成型工艺的可制造性要求，对生成的网格进行平滑处理与重构；最后，通过有限元法仿真验证最终零部件的性能。

图9：使用ELISE生成接触桥设计的工作流程

（图注：输入参数（设计空间、固定螺钉位置、机械载荷）→组件 DNA→重构与仿真验证（网格平滑、可制造性重构、有限元验证））

　　该自动化开发流程能够快速完成零部件的设计与计算，相比手动设计，零部件质量更轻。若螺钉位置发生变更（如因壳体设计调整），设计方案可自动适应新的边界条件；同时，DNA 确保设计结果满足无干涉要求、机械性能指标及可制造性。此外，DNA 支持集成外部软件，这是保障过程数据链连续性的关键优势。

　　5 总结与展望

　　传统开发流程的显著特点是包含大量开发循环与迭代，尤其是 CAD 与 CAE 等领域间存在众多接口的串行开发模式，导致流程耗时且成本高昂。为提升开发流程的有效性与效率，EDAG 正积极推进流程自动化，其核心基于 DNA 设计原则。通过 ELISE 软件实现后，未来的开发流程将不再是独立的分步操作，而是通过技术 DNA 实现深度集成 —— 该 DNA 将零部件或整个系统从需求输入到最终量产的全开发流程紧密衔接。

　　本文通过发卡式端部绕组自动化设计的应用案例，展示了该新型工程方法的流程与优势。结果表明，与手动流程相比，该方法在零部件性能与开发流程两方面均具有显著优势：自动化优化后的发卡式端部绕组更短、铜材用量更少、损耗更低；此外，DNA 支持将外部软件（如网格划分与优化工具）集成至自动化流程中。接触桥的应用案例则进一步说明了 DNA 如何实现自动化优化流程，该流程不仅考虑机械性能，还兼顾可制造性。

　　发卡式端部绕组的自动化设计可进一步扩展至整个定子绕组的开发流程，包括目前作为输入参数的分区图优化。这将有助于节省时间并提升电机效率：闭环工程将不再依赖绕组方案，而是以电机的基本要求为起点，通过计算与仿真获取叠片尺寸、绕组参数、分区图等绕组相关数据；该步骤可经多次迭代优化电机性能、效率及电磁特性；基于最优分区图生成绕组方案，并综合考量设计合理性、可制造性及涡流损耗进行评估；借助前文介绍的发卡式绕组设计 DNA，可立即生成端部绕组并进行性能评级；此外，通过三维有限元法（3D-FEM）可实现电机的高精度仿真。未来的愿景是实现整个集成式电驱动单元（EDU）的自动化开发与优化。

　　References

　　[1] ELISE Homepage, https://www.elise.de/industries/automotive/isofix-bracket/, last access 2022/10/19.

　　[2] Müller, G.; Ponick, B. und Vogt, K.: Berechnung elektrischer Maschinen. Weinheim: WILEY-VCH, 2008, 6. Auflage.

　　[3] England, M.; Ponick, B.: Automatisierter Entwurf von Haarnadelwicklungen anhand von tabellarischen Belegungsplnen. e&i elektrotechnik und informationstechnik (heft 2.2019): Springer-Verlag GmbH Austria.

　　[4] Lindner, M.; Moritz, P. und Jung, J.: Hairpinwicklungen für elektrische Fahrantriebe. Freiberg: TU Freiberg; 2019.

　　[5] Schramm, M.: Automatisierte Erstellung konzeptioneller 3D-Ansichten von Formstabwicklungen in elektrischen Maschinen mittels 3D FEM. Zwickau: Westschsische Hochschule Zwickau, Studienarbeit, 2020.

　　[6] Schfer, F.: Geometrische Optimierung einer Stator-Hairpin-Wicklung durch Anwendung automatisierter Konstruktion. Gieen: Technische Hochschule Mittelhessen, Bachelorarbeit, 2021.

　　原文标题 : 电驱动系统设计的自动化工程方法