FluxMotor Maschinen Designprozess für E-Maschinen

Maschinen-Designprozess für E-Maschinen mit FluxMotor

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.

Geführte Wicklungsdefinition mit FluxMotor
Geführte Wicklungsdefinition mit FluxMotor

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.

Altair DACH 2020 Communication


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2 Kommentare

  1. AvatarHerbert, Reinhold, Eberhard, Max Hörnlein sagt:

    Hallo Hans (Gruber),

    ich habe Deinen Artikel über FluxMotor gelesen. Schöner Übersichtsartikel.
    Ich beobachte den E-Mobilitätsmarkt schon eine ganze Weile, weil mein Weib darauf wartet, dass die E-Autos preiswerter werden.
    Leider passiert das genaue Gegenteil. Ja, das ist nicht Eure Schuld! Aber ein weiteres Entwicklungstool für Elektromotoren ist wirklich nicht erforderlich. Wenn überhaupt etwas ausgereift ist, dann sind es Elektromotoren.
    Das E-Autos teurer sind als die wirklich viel komplexeren Autos mit Verbrennungsmotoren haben wir eigentlich nur unserer dussligen Regierung zu verdanken. Die geben dann dem Verbraucher eine finanzielle Unterstützung, die schlussendlich beim Hersteller ankommt, weil der Hersteller den zuständigen Ministern, Scheuer und Co. weismachen, dass der E-Antrieb (E-Motor ohne Getriebe), so groß wie eine Aktentasche, sooo teuer ist.
    Viel besser ist natürlich eine Brennstoffzelle.
    Die hat sich jetzt auch im Sprachgebrauch niedergeschlagen, mindestens bei Herrn Altmaier: Der scheint lernfähig zu sein!
    https://efahrer.chip.de/news/wasserstoff-strategie-spaltet-bundesregierung-das-sind-die-positionen-1_101928

    Dir alles Gute, vielleicht kannst Du Dich noch an mich erinnern. Ich schaue aber selten bis gar nicht bei LinkedIn rein.

    Freue mich aber über jede Nachricht von Dir. Grüße an alle die sich noch an mich erinnern.

    Herbert Hörnlein
    Speicherseestr. 68
    85652 Pliening OT Landsham
    Tel. 089-4308612, Mobile 0151-24296494
    E-Mail: hremhorn@gmx.de

    LG Herbert

  2. AvatarHans Gruber sagt:

    Hallo Herbert,
    sehr schön von Dir zu hören – hoffe es geht Dir gut? Habe schon erwartet, dass Du dich im Ruhestand immer noch mit CAE Themen befasst. Danke für Deinen Kommentar. Ich gebe Dir recht, dass es am EV sicherlich Baustellen gibt, die noch sehr viel Engineering Bedarf haben, beispielsweise die Batterie oder Brennstoffzelle oder auch der konsequente Leichtbau. Nichts desto trotz wird auch an den E-Maschinen noch viel entwickelt und das nicht nur bei der E-Mobilität. Beispielsweise haben Industriemotoren immer mehr Regularien zu erfüllen bei denen man mit analytischen Methoden, was immer noch sehr starke Anwendung finden, an seine Grenzen kommt. Mit einem leicht anzuwendendem Vorauslegungsprogramm auf FEM Basis bringen wir hier durchaus einen erheblichen Mehrwert hinein. Und nun kommt noch die Erweiterung des Tools auf Multiphysiks (schreibe gerade einen weiteren Blog dazu) um eine umfassendere Beurteilung zu tätigen…
    Da ich weiss, dass Du gerne Paper liest habe ich eine Empfehlung für Dich. Wir haben gemeinsam mit Porsche eine E-Maschine mit Hilfe von Optimierungsverfahren weiterentwickelt und konnten eine beeindruckende Verbesserung erzielen: https://web.altair.com/e-motor-design-using-multiphysics-simulation-porsche
    Wünsche Dir eine schöne Zeit und hoffe man liest oder trifft sich mal wieder. Habe die Zeit mit Dir bei EADS sehr genossen und viel gelernt von Dir. Vielen Dank dafür und hoffentlich bis bald.

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