Damit ein Motor sanft anfahren kann, bedarf es eines ausgeklügelten Antriebssystems bestehend aus Motor, Motorsteuerungselektronik sowie Regelkreis mit Drehzahlsensor, das die auftretenden Lastwechsel effizient ausregelt.

In der Vergangenheit wurden die Antriebskomponenten einzeln betrachtet und gewisse Rahmenbedingungen angenommen. Zu diesen Komponenten gehörten der Motor, die Motorsteuerung, der Antriebsstrang und die mechanische Last. Um die Effizienz der Motoren und des Antriebs zu verbessern, ist das Wirkungsgradkennfeld für die Bewertung eines Motors über den gesamten Drehmoment-Drehzahl-Bereich von großer Bedeutung. Dazu sind aufwändige Lastprofile unter Messung aller Motorparameter unter Betriebsbedingungen zu erstellen. Bei Neuentwicklungen kommt es dabei trotz jahrelanger Erfahrung immer wieder zu späten Änderungen an Prototypen, trotzdem es ist nahezu unmöglich die optimale Effizienzkurve zu treffen.

Interdisziplinäres PCB-Design

Neue Co-Simulationsschnittstellen und hohe Rechenleistungen ermöglichen einen interdisziplinären Ansatz beim PCB-Design und der Simulation elektrischer Antriebe. So lassen sich physikalische Effekte und Größen wie Temperatur, Größe und Positionierung der Magnete, Stromführung und Mechanik sowie die Komponenten der Leistungselektronik in einer systemübergreifenden Simulation betrachten. Bei der Entwicklung der Ansteuerelektronik können Elektronikentwickler eine PSpice-Schaltung nach den Erkenntnissen der Systemsimulation optimieren.

Modellierung und Simulation

Daher hat sich inzwischen die Simulation mit Lastprofilen und virtuellen Prototypen durchgesetzt. Um in einer Simulation den Wirkungsgrad und Verlustkennfelder vorherzusagen, sind zahlreiche Informationen erforderlich. Es gilt sicherzustellen, dass der Motor unter allen Lastbedingungen effizient und damit energiesparend arbeitet.

Viele Motoren in der Leistungselektronik sind elektronisch kommutierende, bürstenlose DC- oder EC-Motoren. In Automobilen arbeiten sie meist direkt mit der 12-V-Spannung aus dem Bordnetz und ziehen je bis zu 100 A Strom. Die Leistungselektronik für die Motorsteuerung besteht aus dem Treiber-IC, MOSFET-Halbbrücken oder IGBTs, passiven Bauteilen und Sensorik. Die Auswahl der Komponenten ist aus technischer Sicht hauptsächlich abhängig von Spannungs- und Stromwerten, Baugröße, Zuverlässigkeitsvorgaben und thermischen Anforderungen. Aber auch Kosten, Lieferanten und Verfügbarkeit sowie Produktvarianten spielen eine Rolle.

Verlustkennfeld-Simulationsergebnis eines Motors in Übereinstimmung mit Messungen.

Verlustkennfeld-Simulationsergebnis eines Motors in Übereinstimmung mit Messungen.

Zuverlässige Prototypen

Die unterschiedlichen Parameter der gleichen Schaltung erfordern einen immer wiederkehrenden Abgleich mit der Spezifikation. Dies führt zu langen Designzeiten, aufwändigen Tests an Prototypen und Re-Designs. Mit heutiger Technologie lassen sich Schaltungen modellieren und viele Tests auch virtuell mit Simulationen durchführen. Das spart Testaufbauten und damit Kosten und Zeit im Entwicklungsprozess. Daraus hervorgehende Prototypen arbeiten unter den meisten Betriebsbedingungen zuverlässig und vor allem sicher, insbesondere wenn Entwicklung und Simulation den kompletten Antriebsstrang von der Regelung bis zur mechanischen Komponente verifiziert haben.

Die Modellierung und PSpice-Simulation einer Schaltung mit physikalischen Echtzeitgrößen hilft, Stressbelastungen der Bauteile zu analysieren oder das Funktionieren der Schaltung am Grenzbereich der erlaubten Toleranz zu überprüfen, was mit Messungen so überhaupt nicht oder nur sehr kostspielig möglich ist. Mit den gewonnenen Erkenntnissen lassen sich dann die Schaltung der Ansteuerung, die Regelung und die Materialien selbst optimieren und energieeffizient gestalten.

Verlustkennfelder simulieren

Ein elektrisches Antriebssystem ist das Schlüsselelement in der Leistungselektronik. Ein derartig komplexes mechatronisches System zu optimieren erfordert eine sehr detaillierte Analyse, Erfahrung und erprobte Methoden. Wie sich die Steuerelektronik schlecht ohne Motor- und Last-Modell optimieren lässt, so lassen sich Effizienzkurven eines Motors nur mit den ermittelten Verlustkennfeldern aus Drehmoment, Ausgangs- und Eingangsleistung erstellen.

Heute können Entwicklungstools wie Simplorer und Maxwell von Ansys bereits Verlustkennfelder von Motoren basierend auf den CAD-Daten und der Methode des maximalen Drehmoments pro Ampere simulieren. Die Effizienz des Motors steigt durch Minimieren der Verluste. Dabei werden Parameter wie Geschwindigkeit, DC-Bus-Spannung oder das PWM-Verhältnis der Ansteuerung und die Schaltfrequenz berücksichtigt. Messungen anhand realer Motoren haben die Genauigkeit der Simulationsergebnisse zuhauf bestätigt.

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