Simulation Den Wirkungsgrad elektrischer Maschinen mit FEM verbessern

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Beim Entwurf elektrischer Maschinen für den EV- und HEV-Einsatz spielen Materialkostenschwankungen aufgrund von Marktdruck sowie multiphysikalische Herausforderungen eine große Rolle.

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Mit Simulationen schneller zum Erfolg: Technologische Fortschrittein der FEM und das High-Performance-Computing ermöglichen allen Entwicklern, ohnekostenintensiven Prototypenbau, das Design neuer Produkte virtuell zu optimieren.
Mit Simulationen schneller zum Erfolg: Technologische Fortschrittein der FEM und das High-Performance-Computing ermöglichen allen Entwicklern, ohnekostenintensiven Prototypenbau, das Design neuer Produkte virtuell zu optimieren.
(Bild: Ansys)

Elektrische Maschinen, in denen Permanentmagnete zum Einsatz kommen, sind von Material abhängig, dessen Preis innerhalb relativ kurzer Zeit drastisch schwanken kann. Daher müssen sich Konstrukteure mit alternativen Maschinendesigns befassen wie beispielsweise Dreiphasen-Induktionsmotoren - doch auch hier können die Kupferpreise schwanken.

Hoher Wirkungsgrad, reduzierte Kosten

Für den Entwurf elektrischer Maschinen sind deshalb Simulationstools nötig, mit denen sich die Produktentwicklung schnell und dennoch äußerst präzise vorantreiben lässt. Bevorzugt wird die Finite-Elemente-Methode (FEM) herangezogen, die ursprünglich als letzter Schritt im Entwurfsprozess vor Fertigungsfreigabe verwendet wurde. Doch diese Vorgehensweise genügt den heutigen Anforderungen häufig nicht mehr. Daher werden Simulation bereits frühzeitig eingesetzt.

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Seit High-Performance-Computing zur Verfügung steht und die FEM weiterentwickelt wurde, sind die Rechenzeiten so kurz, dass sich mithilfe der FEM gelöste Aufgabenstellungen nun mit Optimierungsalgorithmen verwenden lassen. Auf dieser Basis können Konstrukteure den Wirkungsgrad ihrer Maschinen verbessern und gleichzeitig den Materialaufwand und die Kosten senken.

Berechnung mithilfe kundenspezifischer Toolkits

Ansys hat eine Simulationsumgebung entwickelt, mit der sich diese Aufgabenstellungen aus unterschiedlichen physikalischen Bereichen nahtlos und simultan integrieren lassen. Mit der Ansys Workbench haben Entwicklungsteams Zugriff auf leistungsstarke Solver und können die Ergebnisse integrieren. Die gesamte Lösungsdomäne, in der eine elektrische Maschine arbeitet, lässt sich anhand ihres Kennfelds charakterisieren.

Um dieses durch Simulation vorherzusagen, ist eine relativ hohe Anzahl von Datenpunkten zu berechnen. Innerhalb von Ansys Maxwell kann das Extrahieren dieser Datenpunkte mithilfe kundenspezifischer Toolkits automatisiert werden. Der Anwender gibt einige Eingangsparameter ein; die Software berechnet dann alle erforderlichen Designpunkte automatisch und erzeugt den Wirkungsgradverlauf.

Designoptimierung durch Simulation

Wird derselbe Wirkungsgradverlauf mit einem Motordesign erzielt, für das weniger Material erforderlich und das einfacher in der Herstellung ist? Dieser Frage kann sich der Konstrukteur im nächsten Schritt widmen. Weil die Simulation früh in der Entwurfsphase zum Einsatz kommt, kann das Entwicklungsteam jede gewünschte Optimierung vornehmen. Sobald der Konstrukteur festgelegt hat, welche Topologie sich am besten eignet, muss präzise ermittelt werden, in welchem Ausmaß Verlustleistung und verteilte Lasten die Temperatur, Geräuschentwicklung und Vibration innerhalb der Maschine beeinflussen. Das Designteam muss alle physikalischen Eigenschaften adressieren – elektrische, magnetische, thermische und akustische sowie die Belastbarkeit. Die Software Ansys Workbench bietet dafür Lösungen. (mz)

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