Das Design von Power Magnetic Devices (PMDs) hat die Reduzierung von Systemkosten, Gewicht und benötigtem Bauraum zum Ziel. Gleichzeitig sollen Performance und Zuverlässigkeit steigen und es muss sichergestellt sein, dass eine Massenproduktion möglich ist. Diese Ziele erfordern den Einsatz fortschrittlicher Methoden zur Optimierung der Designs verschiedener PMDs. Dazu gehören effiziente Gerätemodelle in Verbindung mit aktuellsten Optimierungstechniken. Technologieunternehmen wie Faraday Future, Entwickler intelligenter Elektrofahrzeuge, verwendet dazu die Software-Tools von Comsol, allen voran Multiphysik-Finite-Elemente-Analyseprogramme.

Vielseitigkeit und Geschwindigkeit zählen

Simulation der Verteilung des magnetischen Flusses in einem EI-Kern-Aktuator eines Elektromotors. Comsol Multiphysics Simulation

Multiphysik-Simulation der Verteilung des magnetischen Flusses in einem EI-Kern-Aktuator eines Elektromotors. Faraday Future, Comsol

Um Maschinen mit hoher Leistungsdichte zu entwickeln, muss der Motor für eine Vielzahl von Bedingungen ausgelegt sein und verschiedene Aspekte berücksichtigen, die über die Belange der elektromagnetischen Komponenten hinausgehen. Beispiele dafür sind das mechanische und thermische Verhalten des Systems. Schnelligkeit bei der Modellierung ist dabei von entscheidender Bedeutung, da die Optimierungsalgorithmen zahlreiche Iterationen durchführen müssen, um sicherzustellen, dass eine Vielzahl von Designs untersucht wird. Infolgedessen ist es notwendig, einige Aspekte der Modelle zu vereinfachen.

Webinar

Das Webinar „Elektromotoren durch Multiphysik-Simulation besser verstehen“ findet zum neuen Termin am 23. Juni 2020 von 14 bis 15 Uhr statt. Christoph Gordalla erläutert, wie sich ein mit experimentellen Messungen validiertes Modell für völlig neue Designs und Ideen einsetzen lässt. Anhand von zwei Praxisbeispielen zeigt das Webinar, welche Auswirkungen durch Wirbelströme erzeugte hohe Temperaturen auf Permanentmagnetmotoren haben und wie Simulation auch über den elektromagnetischen Tellerrand hinaus hilfreich ist, zum Beispiel bei der Multiphysik-Simulation mechanischer Vibrationen in einem Induktionsmotor.

Die Tools von Comsol ermöglichen es, gründliche elektromagnetische und mechanische Analysen zusammen mit einer vereinfachten thermischen Analyse durchzuführen. Sie arbeiten stabil und geben ein schnelles Feedback während des Designprozesses. Die Vielseitigkeit der Tools hilft auch bei der Kooperation unterschiedlicher Design-Teams, die sich um Mechanik, den Inverter, die Motor- und Antriebsstrangkontrolle oder das System-Engineering kümmern. Analysen geschehen dabei in einem sehr frühen Stadium der Entwicklung um sicherzustellen, dass sich das Design im richtigen Bereich bewegt, bevor die Daten an die weiteren Entwicklungsteams weitergereicht werden. Dies begrenzt die Zahl der Iterationen mit anderen Teams.

Das Aktuator-Design

Finite-Elemente-Analyse einer nichtlinearen Oberfläche eines Permanentmagnet-Synchronmotors: Multiphysik-Simulationstools von Comsol helfen bei der Beschleunigung des Motordesigns.

Finite-Elemente-Analyse einer nichtlinearen Oberfläche eines Permanentmagnet-Synchronmotors: Multiphysik-Simulationstools von Comsol helfen bei der Beschleunigung des Motordesigns. Faraday Future, Comsol

Beispiel Aktuator: Zwar muss der Leistungsverlust hier minimal sein, doch sollte dafür die Komponente nicht größer ausfallen, denn die Gehäusegröße ist in den meisten Fahrzeugsystemen eine kritische Metrik. Der von Faraday Future entwickelte Aktuator bestand aus eine Spule aus leitendem Draht, der um einen stationären E-Kern gewickelt war – zusammen mit einem beweglichen I-Kern. Eine 2D-Analyse des elektromagnetischen Feldes erfolgte mit Comsol-Tools, gekoppelt mit einem in der Matlab-Software implementierten generischen Algorithmus. Das Modell berücksichtigte dabei unter anderem das hochgradig nichtlineare Verhalten der verschiedenen Stahlmaterialien.

Als Eingangsgrößen im Algorithmus dienen die geometrischen Parameter des Aktuators, als Resultat erhält der Entwickler die Verluste auf Basis des Spulenwiderstands. Dies ermöglichte im beschriebenen Beispiel die schnelle Untersuchung zahlreicher Designs des elektromagnetischen Aktuators, der eine Kraft von 2500 N liefern kann.

Thermische Verluste

Der Verlust in verschiedenen Leitern kann variieren, selbst wenn sie den gleichen Strom führen. Diese Variationen lassen sich modellieren und es ist möglich, eine ungefähre und schnelle thermische Analyse zu erstellen, die eine Untersuchung der Temperaturverteilung erlaubt. Die Identifizierung der maximalen Hot-Spot-Temperaturen erlaubt es Herstellern, die Zuverlässigkeit des Designs zu bestimmen und zerstörerische Motorereignisse zu verhindern. Dieser multiphysikalische Ansatz bringt auch weitere Zeitersparnisse mit sich, da eine Person einen Motor und/oder seine Komponenten sowohl entwerfen als auch analysieren kann. Anstatt zehn Interationen in verschiedenen Teams durchzuführen, lässt sich mit den Comsol-Tools der Entwurf in einer bis zwei Iterationen abschließen. Dies ist einer der größten Vorteile eines multiphysikalischen Analysewerkzeugs.