Simulation Mit Co-Creation neue Wege in der Produktentwicklung gehen

| Aktualisiert am 18.03.2021Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Im Zuge des Klimawandels gewinnt das Thema Elektromobilität in der Automobilbranche an Bedeutung. Mithilfe von Co-Creation und Simulation lässt sich der Herstellungsprozess von Antriebssystemen für E-Autos effizient gestalten – wie das Beispiel von Alvier Mechatronics zeigt.

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Das Antriebskonzept E-Drive mininiert den Bauraum und liefert hohe Leistung. Gelungen ist dies durch interdisziplinäre Zusammenarbeit und Simulation.
Das Antriebskonzept E-Drive mininiert den Bauraum und liefert hohe Leistung. Gelungen ist dies durch interdisziplinäre Zusammenarbeit und Simulation.
(Bild: Alvier Mechatronics)

Arbeitsschwerpunkte der Alvier Mechatronics GmbH sind die Entwicklung und Simulation von elektrischen und hybriden Antriebssystemen, wozu auch Simulationsmodelle der kompletten Motor- und Elektronikfunktionen gehören. Damit werden im Vorfeld von Prototypherstellung und physikalischen Tests Entscheidungsprozesse unterstützt, um die künftig anfallenden Produkt- und Betriebskosten möglichst effizient zu gestalten. Basis der Entwicklungs- und Zusammenarbeit bei Alvier Mechatronics ist die 2019 ins Leben gerufene Co-Creation-Plattform Connactive, die den beteiligten Partnern sowie dem Kernteam aus erfahrenen Experten und jungen Talenten im Produktentstehungsprozess den Raum bietet, neue Konzepte zu erarbeiten und umzusetzen.

Co-Creation als Schlüssel zum Erfolg

Sieben namhafte Unternehmen aus den unterschiedlichsten Bereichen kamen im Herbst 2019 zusammen, um durch intensiven Austausch und enge Partnerschaft das gemeinsame Innovationspotenzial zu maximieren und die Entwicklungsarbeit zu beschleunigen. Den technischen Impuls setzte dabei Alvier Mechatronics und brachte die Partner zusammen.
Heute arbeiten bei Connactive Partner aus den unterschiedlichsten Bereichen und Disziplinen unter dem Motto Cooperation speeds up Innovation zusammen. Gemeinsam entwickelten die Partner eine neue Generation von elektronischen Antriebssystemen – von der Blaupause bis zum serienreifen Prototypen – und das in nur sechs Monaten.
Dank der intensiven Zusammenarbeit aller Bereiche und Disziplinen von Beginn an waren die sonst üblichen „Extrarunden“ und Neukonzeptionen nicht notwendig. Durch die Bündelung von Wissen kann jeder Partner seine Stärken von der ersten Minute an einbringen und so die natürlichen Wissenslücken anderer schon in der ersten Projektphase schließen. Das Ergebnis: Innovationskraft, Kreativität und Effizienz.

Mehr zur Plattform Connactive.

Schnell am Ziel

Schon nach wenigen Monaten präsentierte das Team erste Ergebnisse: Der E-Drive-Prototyp benötigt bei nahezu verdoppelter Leistung deutlich weniger Bauraum für das Antriebsaggregat. Wo sonst ein klassischer E-Motor mit einer Leistung von rund 20 kW Platz findet, arbeitet nun ein Antrieb mit einer Gesamtperformance von 50 kW. Dabei wird ein Radialflussmotor mit einer Leistung von 35 kW mit einem zusätzlichen Axialflussmotor kombiniert, der zusätzliche 15 kW bereitstellt. Beide arbeiten mit hohen Frequenzen – bei minimalen Energieverlusten.

Die E-Drive-Komponenten wurden direkt im Motorsystem positioniert.
Die E-Drive-Komponenten wurden direkt im Motorsystem positioniert.
(Bild: Alvier Mechatronics)

Der kompakte Aufbau des Antriebssystems und die geringen Energieverluste basieren auf dem SMC-Werkstoff (Soft Magnetic Composite). Er ermöglicht eine dreidimensionale geometrische Gestaltungsfreiheit, die deutlich höher ist als die Zweidimensionalität einer klassischen Blechstanze. Das führt zu einem vergleichsweise einfachen Design und gleichzeitig zu einer deutlich höheren Integrierbarkeit. Auf diese Weise konnten nicht nur die beiden Antriebe in einem kompakten Design integriert werden, sondern auch andere Komponenten des E-Drive wurden direkt im Motorsystem positioniert. Das spart wertvollen Platz und eröffnet neue technische Möglichkeiten. Erreicht wurde dieses Ziel zum einen durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit auf der Plattform; zum anderen setzt das Unternehmen konsequent auf Simulation.

Veranstaltungstipp: Effiziente, leichte und robuste Elektromotoren dank Simulation

Im Rahmen der Simulation Conference 2021 digital von Cadfem steht am Donnerstag, 29.04.2021, der Elektromotor im Fokus. Bei dieser Veranstaltung wird gezeigt, wie in der Entwicklungspraxis Simulationstechnologien von Ansys signifikant dazu beitragen, anspruchsvolle Vorgaben an die Konstruktion zu erfüllen.
Auch Dagmar Münch, technische Verantwortliche (CTO) bei Alvier Mechatronics, wird in einem Vortrag zeigen, wie Simulation bei der Auslegung und Optimierung von elektrischen Antrieben unterstützt.

Mehr zur Simulation Conference von Cadfem.

Zweistufiger Simulationsprozess

„Beim elektromagnetischen Design und der Simulation der elektrischen Maschinen sowie deren Umgebung haben wir einen zweistufigen Simulationsprozess entwickelt“, berichtet Dagmar Münch, technische Verantwortliche (CTO) bei Alvier Mechatronics. „Zuerst optimieren wir das Produkt mit Simulationen im statischen Zustand und anschließend dann unter den thermischen und schwingungstechnischen Randbedingungen, die in der Praxis auftreten.“

Das Bild zeigt die Analyse des magnetischen Flusses im Radialfluss-Motor.
Das Bild zeigt die Analyse des magnetischen Flusses im Radialfluss-Motor.
(Bild: Alvier)

Ziel von Alvier Mechatronics ist es, den gesamten Produktentwicklungsprozess mit Simulationen zu begleiten. Ebenso sollen die Auswahl und Definition der Fertigungsprozesse mit Simulationen unterstützt werden. Um die angestrebten realitätsnahen Simulationsmodelle möglichst schnell zu erhalten, setzt Alvier Mechatronics auf die Dienstleistungen des Simulationsspezialisten Cadfem.

Mit Unterstützung des Cadfem Consulting konnten wir das für uns erforderliche Simulations-Know-how in kürzester Zeit erwerben. Gemäß der von uns beauftragten Simulationsstudien entwickeln die Cadfem-Spezialisten effiziente Konzepte und Herangehensweisen zur Berechnung und Analyse des physikalischen Verhaltens der E-Motoren.

Dagmar Münch, technische Verantwortliche (CTO), Alvier Mechatronics

Know-how-Transfer dank individueller Schulungen

Anschließend erfolgt der Know-how-Transfer an die Alvier-Co-Worker über individuelle Schulungen im Rahmen von Projektübergaben. Damit werden diese in die Lage versetzt, die Berechnungen eigenständig durchzuführen, weiterführende Erfahrungen und Kenntnisse zu sammeln sowie die Konzepte und Herangehensweisen an die jeweiligen Gegebenheiten anzupassen und zu verfeinern.

Gesucht: neues Konzept für einen Axialfluss-Motor

Ein Anwendungsbeispiel dafür ist die Umsetzung eines neuen Konzeptes für einen Axialfluss-Motor. Ziel ist es, Axialfluss-Motoren mit bis zu 7 kW anzubieten. Diese haben den Vorteil auch bei geringen Drehzahlen ein hohes Drehmoment zu entwickeln. Für die ersten Studien verwendeten die Alvier-Experten einen kleinen Motor mit nur etwa 200 W.

Strömungsanalyse als Standard

Dieser Motor wurde von Alvier zunächst mechanisch und elektromagnetisch mit Ansys Maxwell und Ansys Mechanical komplett entwickelt und berechnet. Ebenso wurden thermische Analysen durchgeführt, um die Temperaturverteilung aufgrund der elektromagnetischen, inklusive der elektronischen Verluste zu untersuchen. „Bei diesem kleinen Motor für Studienzwecke entstehen keine thermischen Probleme, folglich ist eine Luftkühlung ausreichend“, erklärt Dagmar Münch. „Die meisten Motoren, die von uns entwickelt und untersucht werden, sind erheblich größer und deshalb flüssigkeitsgekühlt. Folglich gehören Strömungsanalysen mit Ansys Fluent für uns zum Standard in der Motorentwicklung. So können wir eine ausreichende Kühlung in allen Betriebsarten absichern.“

Analyse des magnetischen Flusses

Bei den leistungsstärkeren Radialfluss-Motoren setzt Alvier auf hohe Drehzahlen. Außerdem steht hier der Einsatz von Soft Magnetic Composites (SMC) im Fokus. Soft Magnetic Composites ermöglichen durch das besondere Produktionsverfahren vollkommen neue Konstruktionen und sparen durch wegfallenden Verschnitt viel Material. Die physikalischen Eigenschaften der SMC-Werkstoffe, wie geringe Energieverluste bei hohen Frequenzen, führen zu einer hohen Effizienz, das heißt maximale Leistung trotz geringer Motorgröße.

Der hochdrehende Radialfluss-Motor sorgt für dynamische Leistung.
Der hochdrehende Radialfluss-Motor sorgt für dynamische Leistung.
(Bild: Alvier Mechatronics)

Erreicht wird diese Materialeigenschaft, indem jeder einzelne Eisenkern des Pulvers bereits mit einer speziellen Beschichtung (Coating) versehen ist, die für einen besonders hohen elektrischen Widerstand sorgt. So sind die Wirbelstromverluste ohne weitere Anforderungen an die Fertigung auch im hohen Frequenzbetrieb minimal.

Simulation des SMC-Fertigungsprozesses

Auch bei der Fertigung mit dem SMC-Pulver kommt die Simulation zum Einsatz. Während des pulvermetallurgischen Formungsverfahrens zur Herstellung der Bauteile wird das SMC kompaktiert und dann bei etwa 600 °C ausgeheizt. Nach der Verdichtung und Wärmebehandlung sind die Bauteile gebrauchsfertig und weisen enge Maßtoleranzen sowie eine hohe Robustheit bei der Produktion in hohen Stückzahlen auf. Bezüglich der Prozesssimulation erläutert Dagmar Münch: „Wir arbeiten zum Beispiel daran, digitale Werkzeuge für einen optimalen Einsatz der Pressen zu schaffen. Um dies zu erreichen, müssen wir die Daten der für uns wichtigen Prozesse zusammenbringen, damit wir schon möglichst frühzeitig umfassendes Wissen sammeln können. Dazu gehören die Eigenschaften der einzelnen Komponenten. Diese hängen davon ab, mit welchem Druck sie gepresst und mit welchen Temperaturen sie ausgeheizt wurden. Auf diese Weise können wir dem Kunden die Produkteigenschaften sehr genau beschreiben.“

Noch mehr Optimierung dank Simulation

Innerhalb des Produktentstehungsprozesses kann die A-Musterphase bei Alvier Mechatronics mit der Simulation bewältigt werden, sodass nur B-Muster als reale Prototypen aufgebaut werden müssen. Diese dienen dann auch zur Kalibrierung der Simulationsmodelle.

„Bei der Auslegung von kundenspezifischen E-Motoren sehen wir die Simulation als zentrales Entwicklungswerkzeug, das frühzeitig sichere Entscheidungsgrundlagen liefert, den Vergleich einer Vielzahl von Varianten erleichtert und für die Optimierung der auserwählten Version unerlässlich ist“, Dagmar Münch, CTO Alvier Mechatronics.
„Bei der Auslegung von kundenspezifischen E-Motoren sehen wir die Simulation als zentrales Entwicklungswerkzeug, das frühzeitig sichere Entscheidungsgrundlagen liefert, den Vergleich einer Vielzahl von Varianten erleichtert und für die Optimierung der auserwählten Version unerlässlich ist“, Dagmar Münch, CTO Alvier Mechatronics.
(Bild: Alvier Mechatronics)

Die B-Muster haben schon einen sehr seriennahen Status, wobei die verbesserten Simulationsmodelle für weitere Optimierungen der Motoren eingesetzt werden. Während der Prüfungsphase der vollständig funktionsfähigen Prototypen wird nochmals das gesamte Prozess-Know-how der Connactive-Partner gebündelt. So wird die Effizienz in den Optimierungsschleifen erhöht, um die bestmöglichen Lösungen für den Kunden zu finden.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal www.konstruktionspraxis.de

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