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Software zur Auslegung und Optimierung elektrischer Motoren

| Redakteur: Dorothee Quitter

Für die Vorentwicklung elektrisch angetriebener Maschinen hat Altair vor kurzem die Plattform Flux Motor vorgestellt. Mit ihr können die Maschinen inklusive Elektromotor innerhalb von Minuten modelliert, ausgelegt und wirtschaftlich beurteilt werden.

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Mit der Entwicklungsplattform Flux Motor steht Ingenieuren eine leistungsfähige Software zur Verfügung, die bei komplexen Aufgabenstellungen effektiv unterstützt.
Mit der Entwicklungsplattform Flux Motor steht Ingenieuren eine leistungsfähige Software zur Verfügung, die bei komplexen Aufgabenstellungen effektiv unterstützt.
(Bild: Altair)

Welche Technologiefortschritte bis zur vollständigen Elektrifizierung des Personen- und Güterverkehrs auf den Straßen umgesetzt werden müssen, wird wohl jeder Experte anders beantworten. Fakt ist, dass das Zusammenspiel vieler Faktoren wie gute Ladeinfrastruktur, Reichweite, Kosten und Alltagstauglichkeit maßgeblich dafür ist, ob sich ein Käufer für den Abschied von seinem geliebten Verbrenner entscheidet. Denn wenn es um das Erreichen von Kundenanforderungen und -wünschen geht, spielt im Wesentlichen die Effizienz eine entscheidende Rolle. Nur wenn die zur Verfügung stehende Energiemenge effizient genutzt wird, können die geforderten Leistungsmerkmale erreicht werden. Dies gilt insbesondere bei der Entwicklung der elektrischen Antriebe, die ein möglichst geringes Gewicht und eine hohe Leistung aufweisen und gleichzeitig mit dem Gesamtsystem harmonieren müssen.

Komplexe elektrische Subsysteme

Da sich elektrische Subsysteme gegenseitig beeinflussen, ist es notwendig, das gesamte System zu betrachten und zu optimieren. Dynamische Interaktionen müssen frühzeitig erkannt werden, damit unerwünschten Effekten rechtzeitig entgegengewirkt werden kann. Zu den meist physikalisch miteinander gekoppelten Einflussfaktoren zählen beispielsweise elektromagnetische Strahlung, Temperaturschwankungen sowie die Interaktion mit Steuerungsgeräten. Der Umfang der zu betrachtenden Subsysteme ist beträchtlich, so verfügen die Fahrzeuge über zahlreiche Sensoren für Position, Geschwindigkeit und Temperatur, darüber hinaus gibt es Leistungselektronikbauteile wie Gleichrichter oder Inverter, Aktuatoren wie lineare oder rotatorische Stellantriebe, Energierückgewinnungssysteme, inklusive der entsprechenden Energiespeicher, mechatronische Komponenten, elektrische Verbindungen wie Kabelstränge und Batterieanbindungen und nicht zuletzt den elektrischen Antrieb an sich, in Form eines Elektromotors.

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Diese Komplexität im Zusammenwirken der elektrischen Subsysteme stellt die Entwicklungsingenieure vor eine große Herausforderung, die neue Verfahren und innovative Methoden notwendig macht. Nur mit einem systemintegrativen, modellbasierenden Ansatz ist es möglich, das Zusammenwirken dieser Subsysteme zu erfassen und zielgerichtet zu optimieren. Daher setzen die Unternehmen umfangreiche Simulationswerkzeuge und -methoden ein, mit denen die Ingenieure mehrere Disziplinen gleichzeitig betrachten und Interaktionen korrekt erfassen können.

Entwicklungswerkzeuge zur Optimierung

Altair, ein Softwareanbieter und Entwicklungsdienstleister mit deutschem Hauptsitz in Böblingen, bietet eine breite Palette an Entwicklungswerkzeugen, welche die benötigten Disziplinen und vor allem deren erforderlichen Kopplungen abdecken. Mit den Tools können thermische, elektromagnetische und strömungstechnische Betrachtungen (Flux, FEKO, Acu Solve), strukturmechanische Simulationen und Optimierungen (Hyper Mesh, Opti Struct,Hyper Study) und Systemmodellierungen und Embedded Code Entwicklungen (Solid Thinking Compose, Activate und Embed) durchgeführt werden, um nur einige der Werkzeuge und Anwendungen zu nennen. Für die Entwicklung eines elektrischen Antriebes hat das Unternehmen vor kurzem Flux Motor, eine spezielle Plattform für die Vorentwicklung elektrisch angetriebener Maschinen, veröffentlicht. Für Motorenspezialisten ist Flux Motor ein ebenso einfaches wie effizientes Werkzeug, um Maschinen innerhalb von Minuten auszulegen und ihr technisches und wirtschaftliches Potenzial zu beurteilen.

Auslegung von Elektromotoren

Bei der Entwicklung eines Elektromotors zeigt sich, wie wichtig ein multidisziplinärer Ansatz ist, um den Anforderungen bezüglich Baugröße und Gewicht, Lebensdauer, Temperaturunempfindlichkeit, Sicherheit, Wirkungsgrad und nicht zuletzt beim Preis gerecht zu werden. Nur mit einer ganzheitlichen Betrachtung können Ingenieure die optimale Kombination aus geringem Gewicht und hoher Leistung erzielen. Insbesondere müssen die vorherrschenden thermischen und elektromagnetischen Wechselwirkungen sauber abgebildet sein, da z.B. eine höhere Temperatur zu einem größeren Spulenwiderstand und gleichzeitig zu einer niedrigeren Remanenzinduktion führt. Eine präzise thermische Analyse und die Kopplung zur Elektromagnetik gehören daher zu den Schlüsselfaktoren eines erfolgreichen Motordesigns.

Bei der simulationstechnischen Abbildung der physikalischen Vorgänge ist jedoch zu beachten, dass die elektromagnetische Analyse andere Antwortzeiten liefert als die thermische. Daher werden für die Kopplung meist die durchschnittlichen Werte einer magnetischen Periode für joulesche und ferromagnetische Verluste extrahiert und als Eingabegrößen für eine transiente thermische Analyse verwendet. Anschließend erfolgt die Berechnung der Temperatur in den verschiedenen Komponenten des Motors, deren Ergebnisse wiederum als Eingabegrößen für den nächsten elektromagnetischen Analyseschritt dienen.

Um die Berechnungszeiten dieser recht aufwändigen Simulationen zu verkürzen, kommen in der Regel Vereinfachungen im Modell zum Einsatz. So lassen sich die Modelle durch Ausnutzung von Symmetrien der Komponenten signifikant verkleinern, ohne dass dafür auf die Genauigkeit der Ergebnisse verzichtet werden müsste.

Schnelle und präzise Berechnung

Mit der Entwicklungsplattform Flux Motor von Altair steht den Ingenieuren eine leistungsfähige Umgebung zur Verfügung, die sie bei ihren komplexen Aufgabenstellungen effektiv unterstützt. Flux Motor ist Teil der Altair Hyper Works CAE Suite, die auch Flux, die Software für niederfrequente EM- und Wärmesimulation, umfasst. Die Software ermöglicht es, Maschinen aus Standardkomponenten oder kundenspezifischen Bauteilen zu modellieren und intuitiv Spulen und Materialien hinzuzufügen. Anschließend können verschiedene Tests durchgeführt und die Leistungen der Maschinenvarianten verglichen werden. Die Umgebung von Flux Motor stellt dabei eine gute Visualisierung der Maschinendaten sicher und führt zu schnellen und präzisen Berechnungen, darunter auch multiphysikalische Optimierungsläufe. Auch FEM-Nichtexperten bietet die spezielle Umgebung von Flux Motor eine zielführende Arbeitsumgebung: Denn während die weitverbreitete Komplexität von FEM-Werkzeugen in den Hintergrund rückt, sind die Anwender dennoch in der Lage, für komplexere Analysen sehr einfach Kopplungen zu Altairs multidisziplinärer Umgebung zu schaffen.

„Wir wollten eine einfach einsetzbare Software entwickeln, die keine Kompromisse hinsichtlich Genauigkeit macht. Flux Motor hilft, die Berechnungszeit auf ein Minimum zu reduzieren und liefert dabei sehr genaue Ergebnisse", erklärt Fabrice Marion, Program Manager für Flux Motor bei Altair.

Elektromotor auf Effizienz optimieren

Die Kopplung der thermischen und elektromagnetischen Analyse ermöglicht eine präzise Vorhersage des Verhaltens und kann so genutzt werden, um den Elektromotor konsequent auf Effizienz zu optimieren. In Kombination mit den anderen Altair-Werkzeugen verfügt der Entwicklungsingenieur so über alle erforderlichen Tools, um das Gesamtsystem, wie z.B. ein Elektrofahrzeug, im frühen Entwicklungsstadium abzubilden und zielgerichtet zu optimieren. Durch den ganzheitlichen, multiphysikalischen Ansatz in der Motorenentwicklung kann das Zusammenwirken aller Subsysteme erfasst und optimiert werden – ein weiterer Schritt in Richtung vollständiger Elektrifizierung des Personen- und Güterverkehrs.

dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal Konstruktionspraxis.de.

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