Mit EM-Simulation schnell zu neuen Antriebskonzepten

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Ansys

ANSYS Germany GmbH

Weiterführende Analysen mit anderen Simulationspaketen

Analog zu den elektromechanischen Grundanalysen mit Maxwell können über die im RMxprt integrierten Interfaces auch weiterführende Analysen in anderen Domänen und mit anderen Simulationspaketen von Ansys durchgeführt und so die spezifischen Templates weiter optimiert werden. Dies schließt umfangreiche thermische und strukturelle Analysen mit ein. Mit letzteren können qualifizierte Aussagen zu entstehenden Vibrationen und Geräuschentwicklung gemacht werden. Ebenso können Materialermüdung und die daraus resultierende zu erwartende Lebensdauer ermittelt werden.

So können neue Maschinen effizient nach den für die jeweiligen Anwendungen wichtigen Parametern optimiert und geeignete Betriebsbereiche bestimmt werden. Dies können technische (Drehmoment, Drehzahl, Maximal- und Minimalleistung, Betriebstemperaturen, maximal zulässige Vibrationen, etc.) oder kaufmännische (Wirkungsgrad, Materialkosten, erwartete Lebensdauer, etc.) Parameter sein. In allen Fällen profitiert der Entwickler von der intuitiven Bedienoberfläche und der durchgängigen Integration aller Simulations- und Auswertungspakete von Ansys.

Das Beispiel zeigt anschaulich, wie schnell und mit welch geringem Aufwand verschiedene Auslegungsvarianten einer möglichen Lösung auf grundsätzliche Eignung getestet und auf die jeweilige Anwendung hin optimiert werden können. Die umfangreichen Auswertungsmöglichkeiten der Simulationsergebnisse ermöglichen eine genaue Abschätzung der jeweiligen Vor- und Nachteile sowie Kosten bereits am virtuellen Prototyp.

So können Aufwand und Möglichkeiten (Leistungsdaten) bereits frühzeitig abgeschätzt werden, was bereits in der Entwicklungsphase zu deutlicher Zeitersparnis und Kostenreduzierungen führt.

Beispiel zur Pareto-Optimierung

Ausgangspunkt war ein handelsüblicher DC-Brushless-Standardmotor, dessen Leistungscharakteristik so optimiert werden sollte, dass bei einer spezifischen Stromstärke ein maximales Drehmoment genutzt werden kann (MTPA= Maximum Torque per Amp). Zwingende Nebenbedingungen waren, dass das Drehmoment auf der Abtriebswelle unter Last (Torque Ripple) nicht mehr als maximal 3 % schwankt und dass ein maximales Drehmoment von 15 Nm erreicht werden konnte.

Diese Werte wurden beim Ausgangsmotor mit rund 10 % und 14 Nm jedoch deutlich bzw. knapp verfehlt. Das Bild zeigt das Ergebnis der Pareto-Optimierung. Alle realisierbaren Optima liegen dabei auf der blau eingezeichneten Pareto-Front. Die Motorvariante M-1 stellt das Optimum in Bezug auf das maximal erzielbare spezifische Drehmoment dar, M-3 das Optimum in Bezug auf geringstmögliche Drehmomentschwankungen. Die Variante M-2 realisiert einen Kompromiss zwischen den beiden Extremen, mit dem die Forderung nach maximal 3 % Drehmomentschwankung bei einem möglichst hohen spezifischen Wirkungsgrad (bezogen auf den Eingangsstrom) gerade noch erfüllt werden kann. Dabei werden ein Optimierungsfaktor von über 0,9 und ein maximales Drehmoment von rund 18 Nm erreicht, was die Forderung von mindestens 15 Nm übertrifft. Folgt man der Paretofront nach unten in Richtung M-3, so könnte der Torque Ripple bis zum Erreichen der 15Nm-Grenze weiter reduziert werden. Dies ginge allerdings zu Lasten des ursprünglichen Designzieles, nämlich eines möglichst hohen spezifischen Wirkungsgrades, da hier der Optimierungsfaktor auf unter 0,8 absinkt.

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