Bild 1: Verfügbare Maschinentypen in Simcenter-E-Machine-Design.

Bild 1: Verfügbare Maschinentypen in Simcenter-E-Machine-Design. (Bild: Siemens)

Bei der Innovation einer elektrischen Maschine oder bei dem Versuch, sich einen kleinen Vorteil gegenüber der Konkurrenz zu verschaffen, gibt es viele Faktoren zu berücksichtigen. Diese reichen von der Beibehaltung der verfügbaren Spannungsquelle, der Bereitstellung des erforderlichen Drehmoments bei jeder Drehzahl, der Einhaltung akzeptabler Geräuschpegel, der Einhaltung von Größe und Gewicht sowie der Grenzen des Antriebsstrangs und der sicheren Betriebstemperaturen bis hin zur Einhaltung des Budgets und der Fristen.

Eine Vielzahl von elektrischen Maschinenarchitekturen kann geeignet sein, um die Anforderungen des Kunden zu erfüllen, einschließlich Radialfluss- und Axialflussmaschinenalternativen. Es ist gut, wenn das Designteam erkunden kann, welcher Kandidat die Gesamtanforderungen am besten erfüllt. Je nach Erfahrung und Fachwissen werden die Hersteller jedoch in der Regel bestimmte Maschinentypen bevorzugen und die Möglichkeiten für eine oder zwei alternative Architekturen einschränken.

Physische Tests mit Prototypen

Irgendwann muss der Hersteller eine Reihe von Konstruktionsmöglichkeiten entwickeln und auf ihren Erfolg oder Misserfolg hin überprüfen. Normalerweise müssen dazu Prototypen gebaut und getestet werden

Allein der Prozess der Bestellung, Herstellung und Beschaffung physischer Prototypen kann jedoch bis zu 18 Wochen dauern. Selbst wenn alle Komponenten im Haus sind, würde das Ingenieurteam weitere Wochen mit der Montage und dem Testen des Prototypen im Labor verbringen. Insgesamt kann es bis zu 150 Tage dauern bis das Team weiß, ob das erste Design die Anforderungen erfüllt.

Bild 2: Typischer physischer Prototyping-Workflow.
Bild 2: Typischer physischer Prototyping-Workflow. (Bild: Siemens)

Auch wenn die Idee des Entwicklungsteams noch so gut sein mag, ist es unwahrscheinlich, dass sie gleich beim ersten Mal funktioniert. Im Allgemeinen sind vier oder fünf Iterationen des physischen Prototyps üblich. Alles in allem kann es durchaus zwei Jahre dauern, bis das Unternehmen eine neue elektrische Maschine ausliefert.

Virtuelles Prototyping

Es gibt eine viel schnellere Alternative: Mit der Software Simcenter-E-Machine-Design kann ein Hersteller elektrische Maschinenkonstruktionen virtuell prototypisieren. Mit diesem Tool ist ein Team in der Lage, schnell die Art seiner Idee mit Rotor- und Statorvorlagen zu definieren. Mit wenigen Klicks lassen sich Parameter wie die Materialien der einzelnen Komponenten und etwaige Anforderungen des Kunden festlegen, um dann innerhalb weniger Minuten eine Simulation im virtuellen Labor der Software durchzuführen, die das Verhalten der Maschine zeigt.

Diese Methodik ermöglicht es dem Team, einen Designkandidaten in weniger als einem halben Arbeitstag vollständig zu bewerten: also Monate statt Stunden für den Erfolg oder Misserfolg eines Designs.

Sobald die ursprüngliche Designidee in der Software modelliert ist, können die Ingenieure das Design schnell ändern und erneut simulieren, um die Auswirkungen auf die Leistung zu sehen. Jede neue Designvariante und Simulationsiteration nehmen weniger als eine Stunde in Anspruch. Im Laufe einer Woche kann das Entwicklungsteam zuverlässig Dutzende potenzieller Kandidaten mit unterschiedlichen Formen und Materialien untersuchen, um einen vernünftigen Kandidaten zu finden.

Optimiertes Design dank einer Vielzahl von Optionen

Um die Arbeitsbelastung und die Voreingenommenheit des Teams bei der Suche nach einer optimalen Lösung zu verringern, helfen Tools zur Erkundung des Designraums bei der Automatisierung des Prozesses. Mit der Heeds-Software können Teams eine Vielzahl von Designoptionen und -parametern erforschen, was die Suche nach einer optimierten Lösung erleichtert. Da sowohl Heeds als auch Simcenter-E-Machine-Design Teil der integrierten Simcenter-Produktfamilie sind, arbeiten sie problemlos zusammen.

Heeds liest die in Simcenter-E-Machine-Design skizzierte Grundidee und ermöglicht es dem Hersteller, die Topologiemerkmale innerhalb des Rotors und des Stators zu bestimmen, die er untersuchen und optimieren möchte. Anschließend legt er fest, welche Tests Heeds durchführen soll. Heeds untersucht dann automatisch alle Designalternativen, um einen optimalen Kandidaten zu ermitteln.

Mit der Kombination von Simcenter-E-Machine-Design und Heeds ist ein Hersteller in der Lage, innerhalb einer Woche 1000 Designalternativen für seine elektrische Maschine zu untersuchen. Das gibt dem Entwicklungsteam die Gewissheit, dass es die leistungsstärkste elektrische Maschine zu den niedrigsten Kosten, mit dem geringsten Gewicht und dem kleinstmöglichen Volumen entwickelt hat (vorausgesetzt, das war das Ziel). Der Einsatz eines virtuellen Ansatzes verkürzt die Entwicklung und den Herstellungsprozess um mehrere Jahre.

Bild 3: Temperaturverteilung an einer Radialflussmaschine in Simcenter E-Machine Design
Bild 3: Temperaturverteilung an einer Radialflussmaschine in Simcenter E-Machine Design. (Bild: Siemens)

Thermische Effekte, die automatisch mit dem elektromagnetischen Verhalten gekoppelt sind

Alles, was bisher beschrieben wurde, ist die Sichtweise eines Elektroingenieurs auf die Leistung der elektrischen Maschine. Aber wie sieht es mit den Aspekten einer E-Maschine aus, die über die elektromagnetische Wirkung hinausgehen, wie zum Beispiel thermische Effekte? Simcenter-E-Machine-Design verfügt auch über eine Reihe von thermischen Versuchen, die automatisch mit dem elektromagnetischen Verhalten gekoppelt sind. Dies ermöglicht es dem Hersteller, die elektrische Maschine so „anzuschließen“, wie sie sich im Betrieb verhalten würde, mit einem bestimmten Intervallsatz für den Arbeitszyklus. Mit Hilfe der Software kann der Hersteller sehen, wie sich die einzelnen Komponenten erwärmen, und dann eine Vielzahl von Konfigurationen für die Flüssigkeitskühlung hinzufügen, um zu überprüfen, wie die Komponenten wieder in akzeptable Temperaturbereiche abgekühlt werden können. Währenddessen verfolgt die Software die lokale Temperaturverteilung und aktualisiert die Materialeigenschaften für jede Komponente, sodass die gekoppelten Versuchsergebnisse die Betriebsbedingungen für die Maschine tatsächlich darstellen.

Bewertung der Leistung

Eine elektrische Maschine arbeitet nie allein. Sie ist Bestandteil eines Systems von Komponenten, die als Ganzes zusammenarbeiten. Da Simcenter-E-Machine-Design Teil des Simcenter-Portfolios ist, hilft es Entwicklungsteams, die Leistung innerhalb des größeren Systems zu verstehen. Es ermöglicht die Anbindung der E-Maschine an andere nachgeschaltete Systemkomponenten durch Datenaustausch zwischen integrierten Simcenter-Tools. Für diese Verbindungen stehen zwei Genauigkeitsstufen zur Verfügung, der Systemansatz und der 3D-CAD-Ansatz.

Beim Systemansatz kann der Hersteller die Auswirkungen der elektrischen Maschine auf die Leistungselektronik überprüfen. Simcenter-E-Machine-Design tauscht ein Verhaltensmodell oder ein Modell reduzierter Ordnung (Reduced Order Model, ROM) über die Leistung der elektrischen Maschine aus. Dies erfolgt mit nativen Dateien für den direkten Systemsimulator oder mit Industriestandards für ROMs wie VHDL-AMS und FMU. Durch die Verbindung mit Part-Quest-Explore von Siemens oder mit Mathworks Matlab/Simulink kann der Hersteller das ROM buchstäblich in einen Antriebsschaltkreis einfügen. Der Schaltkreis kann verschiedene Detailstufen für die passiven und aktiven Komponenten sowie die Details für alle elektronischen Chips aufweisen. Das Ansprechverhalten der Schaltung zeigt das tatsächliche Verhalten der elektrischen Maschine.

Durch die Anbindung an Simcenter-Amesim kann der Hersteller die Komponenten eines Fahrerlebnisses definieren und das ROM in ein umfassendes Fahrzeugsystem integrieren. Das Systemmodell enthält viele Details über die Beschaffenheit eines Elektrofahrzeugs (z. B. ein Automobil, Boot, Zug oder Flugzeug). Die Definition des Fahrzeugs kann Fahrzeugmasse, Reifengeometrie und -profile, Fahrertendenzen, Fahrbahnneigung und Fahrbahnbeschaffenheit (z. B. eisig, nass, trocken) umfassen. Der Hersteller definiert einfach einen beabsichtigten Fahrzyklus und überprüft dann, wie das gesamte Fahrzeug reagiert.

Bild 4: Magnetfeldverteilung auf einer Axialflussmaschine in Simcenter 3D.
Bild 4: Magnetfeldverteilung auf einer Axialflussmaschine in Simcenter 3D. (Bild: Siemens)

Beim 3D-CAE-Ansatz ist es dem Hersteller durch die Verbindung von Simcenter-E-Machine-Design mit Simcenter-3D möglich, elektromagnetische Effekte für seine elektrische Maschine zu untersuchen, die nicht im Simcenter-E-Machine-Design enthalten sind. Außerdem kann er 3D-CAE-Darstellungen der benachbarten Komponenten (Gehäuse, Lager oder Getriebe) verwenden und überprüfen, wie sich die von den Stator- oder Rotorkomponenten erzeugte lokale Kraftverteilung auf ihre Nachbarn auswirkt. Verursacht die Elektromagnetik physikalische Verformungen oder Vibrationen? Oder induziert sie für den Menschen unangenehme Geräusche im Hörbereich?

Simcenter-E-Machine-Design lässt sich auch mit Simcenter-Star-CCM+ verbinden. Der Hersteller hat somit die Möglichkeit, die Auswirkungen seiner „neuartigen Kühlungsstrategien“ auf das Kühlpotenzial der einzelnen Komponenten zu untersuchen. Simcenter-Star-CCM+ nutzt elektromagnetische Verluste als Eingangssignal für eine thermisch-rechnerische Strömungsdynamik (CFD). Kühlt die Sprühkühlung die Maschine wie vorgesehen? Oder ist die Strömung im Wassermantel des Gehäuses zu laminar und führt daher nicht genügend Wärme ab?

Die Temperatur ist der Hauptgrund, warum elektrische Maschinen nicht funktionieren. Dies liegt unter Umständen daran, dass die Temperatur in den Leitern den Widerstand der Wicklungen zu stark erhöht. In anderen Fällen werden die Permanentmagnete zu heiß und können nicht mehr die Energie abgeben, die sie bei 20 °C abgeben könnten, oder sie entmagnetisieren sich teilweise oder vollständig. Ein häufig übersehener Grund für Temperaturausfälle ist, dass sich die Lebensdauer der isolierenden Komponenten mit jeder Abweichung von 10 °C von der vorgesehenen Betriebstemperatur um die Hälfte verringert.

Für jede Branche

Elektrische Maschinen sind in jeder denkbaren Branche zu finden, und obwohl die Herausforderungen für die Hersteller in jeder Branche unterschiedlich sein mögen, sind sie doch komplex.

Ein Hersteller von Elektromaschinen, der Kunden in der Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigungsindustrie bedient, fand die Kombination von Heeds und Simcenter-E-Machine-Design für seine Zwecke erstaunlich, denn es stelle die herkömmlichen Vorstellungen in Frage, die ein Motorendesigner hat, um ein optimiertes Design zu entwickeln, manchmal mit unerwarteten oder unkonventionellen Eigenschaften. Heeds ist in der Lage, 25 oder mehr Parameter in einem Design anzupassen und dabei herauszufinden, wie bestimmte Parameter miteinander gekoppelt sind und welche Parameter am ehesten dazu beitragen, dem Ziel näher zu kommen. Das erhöht die Zuversicht bei der Produktion von Motoren, weil man weiß, dass man mit dem bestmöglichen Design vorankomme. Über Nacht sucht Heeds nach der „Nadel im Heuhaufen“ für das nächste optimierte Design. Heeds hat das Konzept der Optimierung auch für Gelegenheitsnutzer leicht verständlich gemacht und bietet dennoch eine Fülle von Optionen, die nach Belieben angepasst werden können. Die Kombination von Simcenter-E-Machine-Design und Heeds verschafft einen echten Wettbewerbsvorteil gegenüber Mitbewerbern und ermöglicht es auch kleineren Unternehmen, Lösungen zu liefern, für deren Realisierung in der Vergangenheit vielleicht eine ganze Armee von Ingenieuren nötig gewesen wäre.

Simcenter-E-Machine-Design ist das „virtuelle Prototyping“-Tool der Wahl für jeden Hersteller von Elektromaschinen und ermöglicht es, jedes Mal die „richtige“ Maschine für die Kunden zu entwickeln.

Adrian Perregaux, Siemens
(Bild: Siemens)

Adrian Perregaux

Produktmanager für elektromagnetische Softwaretools bei Siemens

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