Neue Simulationssoftware zur Optimierung von E-Maschinen bei der Vorauslegung

Das Entwerfen eines für die Anwendung passenden E-Motors war schon immer eine komplexe Aufgabe. Dabei haben Entwicklungsingenieure zunehmend mit widersprüchlichen Anforderungen, wie z.B. Effizienz, maximale Temperatur, strukturelle Festigkeit, Gewicht, Kompaktheit oder Kosten sowie immer strengere Vorschriften und Regularien zu beachten. Die Vorauslegung ist hierbei ein wichtiger Schritt, der dabei hilft, fundierte Konzept-Entscheidungen zu treffen und Innovationen zu entwickeln. Sie ermöglicht eine umfassende Bewertung der Maschinen-Performance, z.B. Gegen-MK bis hin zur automatisierten Erstellung gesamter Kennfelder.

Dabei spielt simulationsgetriebenes Design eine Schlüsselrolle für Innovation und schnelle Entwicklung. Für Maschinendesigner wurde von Altair FluxMotor entwickelt, eine unkomplizierte Software-Plattform, welches E-Maschinenentwickler effizient durch den Designprozess führt.

Es ermöglicht dem Anwender, eine Maschine aus Standard- oder kundenspezifischen Teilen zu bauen, Wicklungen und Materialien hinzuzufügen, schnell eine Auswahl von Tests durchzuführen und die Maschinenperformanz einfach zu vergleichen. Darüber hinaus kann FluxMotor die Maschineneffizienz an einem oder mehreren Arbeitspunkten sowie für vollständige Arbeitszyklen errechnen.

Anwendbarkeit und Bewertung

Mit der Entwicklung von Altair FluxMotor wurde eine Umgebung speziell für Maschinendesigner geschaffen, welche den Maschinenentwurf ins Zentrum stellt, nicht die Bedienung des Werkzeugs. Unnötige Komplexität wird verborgen und der Nutzer wird bei komplizierten Definitionen durch die Software unterstützt, wie beispielsweise die der Wicklung. Der Zusammenbau der E-Maschine erfolgt durch Auswahl und Anpassung von vordefinierten oder selbst erzeugten, parametrisierten Blechschnitten, Magnetformen und Käfig-Geometrien.

Nach der Entwurfserzeugung stehen dem Benutzer verschiedene Standarttests zur Verfügung, die eine Bewertung des erstellten Konzepts ermöglichen. Bei permanenterregten Sychronmaschinen reicht dies von Gegen-MK, Rastmoment, einzelnen Arbeitspunkten bis hin zu gesamten Kennfeldern oder Look-up Tabellen für die System-Simulation. Die Tests für Asynchronmaschinen enthalten die Erstellung und Kalibrierung des Ersatzschaltbildes, die Berechnung einzelner Arbeitspunkte sowie die Darstellung der Maschinencharakteristik über einen Drehzahlbereich.

Versteckte Simulationstechnologie

Für die Durchführung der zuvor genannten Tests wird im Hintergrund die Finite-Elemente-Simulation, mittels des etablierten und robusten FEM Solvers Altair Flux, verwendet. Dabei kommen je nach Maschinentyp und Test magneto-statische, quasistationär-harmonische oder transiente Methoden zum Einsatz. Dies ermöglicht auf der einen Seite eine sehr flexible Anwendung auf nahezu beliebige Geometrien und sorgt auf der anderen Seite für robuste und qualitativ gute Ergebnisse. Die Berechnungszeit bewegt sich je nach Test, Genauigkeitsanforderung und Hardware im Bereich von <1 Minute bis maximal ein paar Minuten, so dass eine Evaluierung von vielen Konzepten in kurzer Zeit möglich ist.

Design-Exploration und Multiphysik

Mit DoE-Methoden und Optimierungsalgorithmen kann die Motor-Studie von vielen Konzepten perfekt systematisiert werden. Das Tool HyperStudy steuert dabei den gesamten Ablauf, nutzt die Parametrisierung von FluxMotor, um Varianten in Abhängigkeit von Versuchsplänen zu erzeugen, startet die Berechnungen und führt die Ergebnisse für das Postprozessing und Data-Mining zusammen. Betrachtet werden können dann beispielsweise Sensitivitäten, Korrelationsmatrizen, mehrdimensionale Paretofronten, usw. Diese dienen dazu, die wesentlichen Effekte zu erkennen und Trade-Off Studien durchzuführen, mit dem Ziel die passende Konfiguration oder bestmöglichsten Kompromiss zu finden. Alle Varianten können im Motorkatalog – einem Datenmanagementsystem – verglichen und bewertet werden.

Ist das passende Konzept gefunden, alle wesentlichen Fragen zu Beginn der Entwicklung geklärt, geht es in die Auslegungsphase. Die bereits erarbeitete Maschinenkonfiguration lässt sich dann verlustlos nach Altair Flux übertragen, in die Welt der detaillierten Berechnung. Die Geometrie inklusive der Parametrierung und die physikalischen Eigenschaften bleiben erhalten und werden rechenfertig übergeben, so dass dann weitergehende Analysen bzgl. Elektromagnetik aber genauso Multiphysik-Simulationen auf Basis des in FluxMotor erstellten Entwurfs durchgeführt werden können.

Generell wäre es wünschenswert, multiphysikalische Analysen wie die Kopplung der Feldrechnung mit thermalen Methoden oder eine akustische Bewertung aufgrund des Maschinendesigns schon in der Vorauslegung durchführen zu können. Voraussetzung dafür wäre eine Implementierung von für FluxMotor geeigneten und damit schnell rechnenden Methoden.

Zusammenfassung

All die vorher erwähnten Eigenschaften machen FluxMotor zu einem Werkzeug für alle Entwickler, die mehr über das Verhalten von Designs elektrischer Maschinen erfahren wollen, ohne sich in Simulationsmethoden einarbeiten zu müssen. Vom E-Maschinen Designer und Integratior über Vertriebs- und Systemsimulationsingenieure bis hin zur Lehre ist FluxMotor die geeignete Plattform. Darüber hinaus können auch Simulationsspezialisten, die für Konzeptuntersuchungen kurze Antwortzeiten benötigen bzw. vollparametrisierte Modelle für die Auslegung schnell und unkompliziert erstellen wollen, von den Eigenschaften von FluxMotor profitieren.