Simulation Optimierungs-Engine für die effiziente Entwicklung

Anbieter zum Thema

Altair Engineering GmbH

Heidrive GmbH

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

GWJ Technology GmbH

Eine datengetriebene Entwicklungs- und Optimierungsstrategie für E-Motoren unterstützt ZF bei der Entwicklung einer modularen Motorplattform, bei der der Einsatz von Gleichteilen und somit die Kosteneffizienz gesteigert werden konnte.

Ein Elektromotor kann längst nicht mehr nur als isolierte Einheit betrachtet und entwickelt werden. Vielmehr müssen hohe Anforderungen an die Integration in das gesamte elektrische oder hybride Antriebssystem erfüllt werden. Die holistische und multiphysikalische Entwicklung von Elektromotoren benötigt eine neue Denkweise und eine neue Entwicklungsstrategie – multidisziplinäre und multi­physikalische Optimierungsmethoden ermöglichen es, einen Elektromotor für mehrere, möglicherweise völlig unterschiedliche Designanforderungen gleichzeitig zu entwerfen. So wird vermieden, dass bei der Entwicklung komplexer Produkte auf eine serielle Strategie gesetzt werden muss, bei der eine größere Anzahl von Designiterationen erforderlich ist, um alle Anforderungen zu erfüllen und ungünstige Designkompromisse in Kauf genommen werden müssen, wie unser Beispiel von ZF zeigt.

Gleichteile reduzieren Kosten

Die ZF Friedrichshafen AG, Experte rund um Systeme für die Mobilität von Pkw, Nutzfahrzeugen und Industrietechnik, entwickelt eine Vielzahl von Elektromotoren und Antrieben für ein breites Spektrum von Anwendungen. Um die Entwicklungs- und Produktionskosten von vornherein niedrig zu halten, müssen die Konstrukteure Lösungen finden, um bei den gegebenen Anforderungen an die Motoren möglichst viele Gleichteile zu verwenden. Um dies zu erreichen, gruppiert ZF Produkte in Motorenprogramme, die ähnliche Konstruktions- und Produktionsziele haben, und identifiziert gemeinsame Konstruktionsmerkmale, die in einer modularen Motorenplattform verwendet werden können.

Datengesteuerte Lösung für Konstrukteure und Entwickler

Der mögliche Umfang der Motorkonfigurationen ist jedoch enorm groß. Bei einer theoretisch unendlichen Anzahl von Motorkonfigurationsmöglichkeiten wäre es mit menschlichen Ressourcen unmöglich, manuell eine optimale Kombination von Konfigurationen für eine Motorplattform auszuwählen und dabei alle Anforderungen zu berücksichtigen. Folglich benötigte ZF eine simulations- und datengesteuerte Lösung, die es den Konstrukteuren und Entwicklern ermöglicht, gemeinsame Teile, Kosten und weitere Einschränkungen zu berücksichtigen, um automatisch die besten Konfigurationen für eine modulare Motorplattform zu finden.

Hochautomatisierte Entwicklungsumgebung

Auf der Suche nach einer Lösung für die komplexe Herausforderung der Designoptimierung, ging ZF eine Partnerschaft mit Altair ein, um eine datengetriebene Entwicklungs- und Optimierungsstrategie für Elektromotoren zu implementieren. Altair bietet mit dem E-Motor Director bereits seit einigen Jahren eine hochautomatisierte Umgebung, die gemeinsam mit Anwendern weiterentwickelt wird. Die Plattform beschleunigt die Entwicklung von Elektromotoren, indem sie Multiphysiksimulationen, schnelle Designexploration und Optimierung basierend auf einer oder auch auf mehreren Design-of-Experiment-(DOE-)Analysen ermöglicht.

Ganze Konzepte und Plattformen optimieren

Virtuelle Designuntersuchungen und die Optimierung einzelner Designs sind bei Motorenentwicklern gang und gäbe, aber die Optimierung mehrerer Konzepte und Motorplattformen bringt ganz neue Herausforderungen mit sich. Mit theoretisch unendlichen Attributkombinationen und mehreren objektiven und subjektiven Designbeschränkungen innerhalb jeder Motorkonfiguration musste die Optimierung-Engine in Altair E-Motor Director eine sehr flexible Definition des Designoptimierungsproblems ermöglichen, einschließlich der Definition von gemeinsamen und individuellen Motorparametereinstellungen, Designvariablen und Anforderungen für alle Elemente einer Motorplattform.

All diese Eingabemöglichkeiten und -beschränkungen mussten dem Benutzer von E-Motor Director in einer logischen und intuitiven Bedienoberfläche und Benutzererfahrung präsentiert werden, sodass der Anwender einen klaren Überblick über das Projekt erhält und gleichzeitig die Flexibilität hat, während des gesamten Entwicklungsprozesses Anpassungen vorzunehmen.

Benutzerfreundliche Optimierung

Die gemeinsame Arbeit von ZF und Altair hat zu einer benutzerfreundlichen Optimierungsumgebung geführt, die in der Lage ist, die komplexe Definition eines Elektromotor-Designproblems zu bewältigen. Die Umgebung ermöglicht die Auswahl einer beliebigen Anzahl von zu berücksichtigenden Modellen reduzierter Ordnung (ROMs) und liefert Echtzeit-Feedback zu potenziellen ROMs, die mögliche Lösungen für jeden Motor der Motorplattform enthalten könnten. Parameter und Anforderungen können für jeden Motor einzeln eingestellt oder zwischen zwei oder mehreren Motoren der Plattform verknüpft werden.

Systematische Entwicklung senkt Kosten

Eine Motorplattform-Optimierung liefert mehrere realisierbare Motorplattform-Szenarien. Der Benutzer kann anschließend eine geeignete Auswahl aus diesen möglichen Lösungen treffen. „Die Möglichkeit, modulare Motorenplattformen systematisch und optimal zu entwickeln, erlaubt es uns, Synergien und einen Gleichteileansatz von Anfang an zu berücksichtigen, was zu flexiblen Systemlösungen führt, die nicht nur technisch fortschrittlich, sondern auch sehr kosteneffizient sind“, sagt Helmut Schmid, ZF.