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Elektromotoren mit Maxwell analysieren

Mit Maxwell steht innerhalb von Ansys Workbench eine FEM-Software zur Berechnung von niederfrequenten elektrischen und magnetischen Feldern bereit. Damit lassen sich die Simulationsanforderungen meistern, die für die von der Igel AG verwendeten Elektromotoren relevant sind, denn durch die genaue Berechnung der Verlustleistungsdichten kann die Wärmeentwicklung im Elektromotor sehr präzise vorhergesagt werden. Um von Anfang an mit einem praxisgerechten Simulationsmodell arbeiten zu können, griffen die Entwickler von Igel auf das Know-how von Cadfem zurück.

Effektive Wärmeabfuhr verbessert Wirkungsgrad

Entscheidend für die Qualität der Berechnung sind auch hier realitätsnahe Randbedingungen. Speziell die Materialeigenschaften, zum Beispiel von den verwendeten Blechpaketen, sind oft nur schwer zu bestimmen. Deshalb ist eine enge Kommunikation mit den jeweiligen Bauteillieferanten oder Komponentenherstellern notwendig. Beim Betrieb im Überlastbereich erreichen Stromdichte beziehungsweise magnetische Flussdichte relativ schnell nicht mehr akzeptable Grenzwerte (Bild 2).

In diesem Arbeitsbereich ist eine effektive Wärmeabfuhr von den Spulen notwendig, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Für die Auslegung der Antriebseinheit muss eine bestimmte Betriebszeit im Überlastbetrieb und somit eine ausreichende Kühlung sichergestellt werden. Zur Verifizierung der FEM-Berechnung wurden stationäre Betriebspunkte am Motor ausgewählt und am Prüfstand abgefahren. Die Messungen zeigten, dass die Berechnungsergebnisse den realen Gegebenheiten sehr nahe kommen.

Optimiertes Kühlungssystems mit CFD

Bei der strömungstechnischen (CFD – Computational Fluid Dynamics) Auslegung und Dimensionierung des Kühlsystems setzt die Igel AG auf Ansys CFX. Da das erste Lösungskonzept, bei dem die Motoren mit Luft gekühlt wurden, in einigen Fahrsituationen nicht zu befriedigenden Ergebnissen führte, wurde eine Wasserkühlung für die Elektromotoren entwickelt. Hierzu wurden verschiedene Varianten von Wasserkanälen erstellt. Diese wurden unter strömungstechnischen Gesichtspunkten berechnet und hinsichtlich höherer Strömungsgeschwindigkeiten und geringer Druckverluste optimiert (Bild 3).

Optimale Kühlung für den Antrieb

Die beiden Berechnungen – einerseits der niederfrequenten elektrischen und magnetischen Felder, andererseits der Strömungsanalyse – wurden für die Bestimmung des Temperaturfeldes der Antriebseinheit zu Grunde gelegt. Hierbei muss letztendlich eine transiente Berechnung des Temperaturfeldes erfolgen, da die Leistungsentnahme im Fahrbetrieb nicht konstant ist und sich somit der Wärmestrom über die Zeit ändert. Mit dem gekoppelten Berechnungsmodell in Ansys und einem analytisch berechneten Fahrmodell konnte eine optimale Kühlung für die Antriebseinheit entwickelt werden.

Kopplung der Simulationen

Bei der Entwicklung der Antriebseinheit wurde Ansys nicht nur für die Kühlungsauslegung der Elektromotoren eingesetzt, sondern auch für Analysen in anderen Anwendungsbereichen genutzt. Unter anderem wurden die Kühlung der Akkus und die Bauteilfestigkeit des Akkugehäuses mit Ansys Workbench berechnet. Die Berechnungssoftware ermöglicht umfassende numerische Berechnungen für die verschiedenen physikalischen Domänen. Ein großer Zusatznutzen erschließt sich für die Entwickler bei Igel durch den problemlosen Zugriff auf das Know-how von Cadfem. Sowohl der Support als auch die Consulting-Dienstleistungen und das umfangreiche Schulungsangebot sind hervorzuheben. (mz)

Hannover Messe 2015: Halle 7, Stand B40

Ergänzendes zum Thema

Webinare geben Antworten auf wichtige Fragen

Welche Vorteile lassen sich durch eine simulationsgestützte Produktentwicklung erreichen? Was sind die Voraussetzungen dafür? Wie sieht der Simulationsprozess in der Praxis aus? Was ist für eine erfolgreiche Einführung im Unternehmen zu beachten? Wie kann im Unternehmen sichergestellt werden, dass mit der Simulation auch langfristig der gewünschte Nutzen erzielt wird? Antworten auf diese Fragen gibt das kostenlose, einstündige Cadfem-Webinar „Simulation in der Produktentwicklung? Legen Sie den ersten Gang ein!” (www.cadfem.de/einstiegs-webinar)

Für Ingenieure aus Entwicklung und Konstruktion, die bereits Computersimulationen zur Absicherung physikalischer Eigenschaften nutzen, ist das Webinar „Simulation voll ausgeschöpft? Schalten Sie in den nächsten Gang!“ (www.cadfem.de/mehr-effizienz-webinar) von Interesse. Dieses zeigt auf, wie die Simulation im Produktentstehungsprozess noch effizienter eingesetzt werden kann. Beispielsweise lässt sich mit der Weiterentwicklung von Simulationsmodellen und der Optimierung von Prozessen die Realität noch detaillierter abbilden. Somit führt die Simulation zu einem schnellen Erkenntnisgewinn und einer sicheren Entscheidungsgrundlage.

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