JVC Kenwood entwickelt mit ausgereiften Designverfahren innovative Fahrzeuglautsprecher-Technologien.

JVC Kenwood entwickelt mit ausgereiften Designverfahren innovative Fahrzeuglautsprecher-Technologien.JVC Kenwood

JVC Kenwood liefert Produkte für Fahrzeugelektronik, Heim- und Mobilelektronik sowie Unterhaltungstechnik. Die Entwicklung von Fahrzeuglautsprecher­systemen erfolgte dabei früher durch den aufwändigen Bau und Test von Prototypen. Dieses zeitraubende und kostspielige Verfahren stellt dem Forschungs- und Entwicklungsteam nur eine begrenzte Anzahl von alternativen Designs zur Beurteilung zur Verfügung. Heute setzt JVC Kenwood Ansys-Software zur elektromagnetischen Simulation ein. Damit lassen sich die Verteilung der magnetischen Flussdichte und andere Schlüsselparameter untersuchen, noch bevor es einen Prototypen gibt. Die Entwicklungsingenieure analysieren Parametersätze mit Ansys Workbench, wodurch sie zahlreiche Designvariationen zeitsparend beurteilen und schrittweise zum optimalen Design gelangen. Im Ergebnis reduzierte das Unternehmen seine Prototyping-Kosten, verkürzte die Produkteinführungszeit, verbesserte die Qualität und sparte außerdem Materialkosten.

Anspruchsvolles Design von Autolautsprechern

Lautsprecher erzeugen Töne, indem die oszillierende Bewegung einer Membran die umgebende Luft zu Schwingungen anregt. Die Bewegung der Membran wird durch einen Schwingspulen-Motor (VCM, Voice Coil Motor) hervorgerufen. Dieser enthält eine Permanentmagnet-Baugruppe mit einem ringförmigen Spalt, in dem sich ein magnetischer Fluss ausbreitet, sowie einer im Luftspalt befindlichen Wickelspule. Durch den Stromfluss in der Spule entstehen Lorentzsche Kräfte, welche die Spule und die daran befestigte Membran bewegen.

Auf einen Blick

Simulieren statt Wegwerfen: Moderne Simulationsverfahren arbeiten so exakt, dass sie in vielen Fällen den Bau von Prototypen ersetzen können. Ansys zeigt hier am Beispiel des Lautsprechherherstellers JVC Kenwood, dass zwei statt zehn Prototypen ausreichen, um einen Kfz-Speaker zu entwickeln, und dabei Zeit zu sparen. JVC Kenwood wurde bei seiner Entwicklungsarbeit durch den Ansys-Vertriebspartner Cybernet Systems unterstützt.

Eine Erhöhung des magnetischen Flusses in der Spule des Magnetkreises steigert die Kraft, die den Lautsprecher antreibt. Ein höherer magnetischer Fluss bedeutet zwar nicht automatisch eine bessere Klangqualität, aber die hierdurch bedingte höhere Ansteuerkraft stellt für die Entwickler einen erheblichen Vorteil dar. Er ermöglicht es ihnen, eine verbesserte Audio-Performance, höhere Lautstärke, breitere Frequenzcharakteristik sowie kleinere und leichtere Geräte zu realisieren.

Früher hatten die Entwickler bei JVC Kenwood die magnetische Flussdichte im Luftspalt des Magnetkreises von Hand berechnet. Die eindimensionalen Berechnungen waren jedoch nicht sehr genau, da sie die Geometrie des Systems nicht berücksichtigten. Daher musste das Unternehmen normalerweise etwa zehn Prototypen jeder Version anfertigen, um Erkenntnisse über die tatsächliche Verteilung der magnetischen Flussdichte und andere Leistungsparameter zu gewinnen. War schließlich die Klangqualität des Prototypen nicht gut genug, musste man das Design mit zusätzlichem Zeit- und Kostenaufwand überarbeiten und neue Prototypen anfertigen.

Bild 1: Die Geometrie des Magnetkreises als CAD-Modell.

Bild 1: Die Geometrie des Magnetkreises als CAD-Modell.JVC Kenwood

Entwicklungsingenieure simulieren selber

Ansys Workbench erleichtert das Arbeiten mit CAD-Geometrien (Bild 1) für die elektromagnetische (EM-) Simulation. Die benutzerfreundliche Ansys-EM-Software liefert leicht auszuwertende und verständliche Ergebnisse, so dass die Entwickler selbst die Lautsprecher-Leistung simulieren können, ohne die Hilfe von Optimierungsspezialisten in Anspruch nehmen zu müssen. Die EM-Tools simulieren niederfrequente elektrische Ströme und elektrische Felder in leitenden und kapazitiven Systemen sowie magnetische Felder, die durch Ströme und Permanentmagnete erzeugt werden. Die Software bietet die komplette Breite automatischer Berechnungen für Kraft, Drehmoment, Induktivität, Joulesche Verluste, Streufelder, Sättigung und magnetische Feldstärke.

Die JVC-Kenwood-Entwickler importieren ihre CAD-Geometrie zunächst in den Ansys Design-Modeler. Die Parameter können sie jederzeit anpassen und das Design aktualisieren, wobei die Modellierungssoftware alle weggelassenen oder vereinfachten Features beibehält. Anschließend folgt die niederfrequente magnetische Simulation mit Ansys Emag. Die Simulation unterstützt den Anwender durch ihre Visualisierung des Magnetkreises, insbesondere der magnetischen Flussdichteverteilung (Bild 2).

Bild 2: Die Simulationsergebnisse zeigen den magnetischen Fluss im Magnetkreis.

Bild 2: Die Simulationsergebnisse zeigen den magnetischen Fluss im Magnetkreis.JVC Kenwood

Kunst und Können

Die Entwicklung eines Fahrzeuglautsprechers ist zwar immer noch mehr eine Kunst als eine Wissenschaft – jedoch hilft die Simulation den Ingenieuren, wesentlich bessere Erkenntnisse über die Leistung des Konzeptdesigns zu gewinnen; außerdem unterstützt sie das FuE-Team bei weiteren Verbesserungen. Die Simulation ermöglicht es oft, bahnbrechende Designs zu finden, die sogar ein Experte ohne diese Hilfestellungen nicht realisieren könnte.

Die Entwickler beginnen normalerweise mit einigen Entwürfen auf der Basis ihrer Erfahrungen und führen dann Simulationen durch, um die Leistungsfähigkeit zu ermitteln. Mit solchen Untersuchungen können sie das Design ungefähr in den Bereich der gewünschten Eigenschaften bringen, aber im Normalfall kein optimales Design erreichen. Mit solchen frühen Simulationen untersuchen die Entwickler zum Beispiel, wie sich ein innenliegender Magnet in der Schwingspule im Vergleich zu einem außerhalb der Schwingspule befindlichen Magneten verhält. Sie können verschiedene Magnetwerkstoffe wie Ferrit, Aluminium-Nickel-Kobalt (Alnico) oder Neodym in Betracht ziehen. Ferrit kann nicht in der Schwingspule angebracht werden und eignet sich daher nur für Ausführungen mit außenliegendem Magneten. Alnico und Neodym funktionieren am besten innerhalb der Schwingspule mit einer höheren und schmaleren Geometrie.

Bild 3: Die Entwickler geben in der Ansys Workbench die Designparameter vor, die als Designpunkte für die Optimierung dienen.

Bild 3: Die Entwickler geben in der Ansys Workbench die Designparameter vor, die als Designpunkte für die Optimierung dienen.JVC Kenwood

Schritt für Schritt zum optimalen Lautsprecher

Im nächste Schritt optimiert der Anwender die Ausführung des Magneten, insbesondere indem er den magnetischen Fluss im Lautsprecherkreis verbessert. Die Entwickler wählen die wichtigsten Designparameter, zum Beispiel die Dicke sowie den Innen- und Außendurchmesser des Magneten. Diese stellen sie als Designpunkte in Ansys Workbench ein (Bild 3) und führen parametrische Analysen durch, um What-if-Szenarien durchzuspielen. In der Tabelle der Designpunkte legen die Entwickler hierfür eine Reihe von Werten fest, die sie untersuchen möchten. Beim Anklicken der Schaltfläche „Update All Design Points“ (Alle Designpunkte aktualisieren) übermittelt die Workbench den erste Designpunkt (mit dem ersten Parametersatz) an den Workbench-Parameter-Manager. Der wiederum veranlasst Änderungen am Modell vom CAD-System bis zum Postprocessing. Der neue Designpunkt wird simuliert, und die Ergebnisse werden an die Designpunkt-Tabelle weitergegeben, die die Daten dann speichert. Die Workbench wiederholt den Vorgang, bis sie alle Designpunkte gelöst und damit den Designraum festgelegt hat, den der Entwickler später optimiert (Bild 4).

Als nächster Schritt folgt die Optimierung des Magnetkreises, bestehend aus Magnet, Joch und Platte. Hier lauten die Designparameter: Breite, Dicke und äußere Parameter von Joch und Platte. Die Ergebnisse der What-if-Analysen helfen den Entwicklern dabei, das beste Design zu finden, das alle Anforderungen erfüllt.

Bild 4: Die Ansys EM-Tools simulieren den Lautsprecher für jede Parameterzeile der Optimierungstabelle.

Bild 4: Die Ansys EM-Tools simulieren den Lautsprecher für jede Parameterzeile der Optimierungstabelle.JVC Kenwood

Klangerlebnis im Auto

Elektromagnetische Simulation und Design-Optimierung haben es JVC Kenwood ermöglicht, die Performance von Autolautsprechern wesentlich zu verbessern. Vom technischen Standpunkt her gesehen können die Entwickler problemlos neue Ideen untersuchen, beispielsweise eine völlig neue Form für den Magnetkreis, ohne dass der Zeit- und Kostenaufwand des Prototypenbaus anfällt. Aus wirtschaftlicher Sicht trägt die technische Simulation dazu bei, die Anzahl der erforderlichen Prototypen, die Produktionskosten und die Time-to-Market zu verringern. Der Lautsprecherhersteller konnte bei einem typischen Projekt die Anzahl der gebauten Prototypen von bisher zehn auf nur noch zwei oder drei reduzieren. Die Produktreife wird heute etwa einen Monat schneller erreicht, was zehn Prozent des gesamten Produktentwicklungsprozesses entspricht. Die magnetische Flussdichte in einem typischen Lautsprecher wurde ohne jede Mehrkosten um fünf Prozent erhöht. Und auch der Materialaufwand bei einem typischen Lautsprecher wurde um bis zu 40 Prozent verringert, was auch niedrigere Materialkosten bedeutet.