Simulation

Beschleunigte Änderungsrate beim Elektromaschinen-Design

Dank modernerer und erschwinglicherer, simulationsbasierter Design-Software können Elektromotoren- und Transformatorenhersteller die Leistung ihrer Maschinen in einem bisher beispiellosen Tempo erhöhen.

Eine Simulationsplattform zur Beschleunigung des Antriebsstrang-Designs.

Elektromaschinen haben in den letzten fünf Jahren schnelle Leistungssteigerungen erzielt, sei es in puncto Effizienz, Gewicht oder Lärm. Neben den Verbesserungen der Materialtechnologie sind die meisten dieser Fortschritte auf die Designoptimierung zurückzuführen, die durch die neueste Simulationssoftware unterstützt wird.

„Wir brauchen nur die Automobilindustrie zu betrachten, um Beweise hierfür zu erhalten“, sagt Vincent Marché, Produktmanager beim Engineering-Softwareunternehmen Altair. „Es dauerte über 100 Jahre, um einen robusten und zuverlässigen Verbrennungsmotor zu entwickeln. Mit einem simulationsgesteuerten Ansatz gelang es Toyota jedoch, ein akzeptables Leistungsniveau eines Elektromotors in nur knapp 10 Jahren zu erreichen. Heute ist jeder große Automobilhersteller darum bemüht, ein Elektro-Hybrid- oder All-Elektro-Fahrzeug auf den Markt zu bringen – und zwar in Rekordzeit!”

Die Transformator-Branche bediente sich bislang im Rennen gegen die Zeit auch simulationsgesteuertem Design, um immer strengeren Effizienzregelungen gerecht zu werden, Bereiche anzupassen und die Integration ihrer Geräte in intelligente Stromnetze zu unterstützen. Im Gegensatz zu herkömmlichen analytischen Design- und Performance-Evaluierungsmethoden, die oft mit wochenlangem Hin und Her zwischen Spezialistenteams einhergehen, unterstützt die Simulationssoftware mittlerweile einen multidisziplinären Ansatz.

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Einfachere Arbeitsabläufe
„Üblicherweise beginnt der Prozess mit einer CAD-(computerunterstützten)-Zeichnung. Anschließend erfolgt die elektromagnetische Gestaltung. Danach wirft ein Spezialist für thermische Analyse einen Blick darauf und das ganze geht zum CAD-Team zur Modifikation und dann wiederum zum elektromagnetischen Design-Team zurück. Jeder Schritt kann mehrere Tage in Anspruch nehmen“, sagt Marché. „Die neueste Simulationssoftware bietet jedoch kompatible Dateien, die gleichzeitig von verschiedenen Abteilungen bearbeitet werden können.“

Durch die Simulation und die verringerte Anzahl benötigter Prototypen sparen Hersteller Zeit und Ressourcen. „Wenn die Hersteller ihr Design gleich mit der Physik statt mit einer geometrischen CAD-Zeichnung beginnen würden, müssten sie vor Produktionsbeginn keinen Prototyp für alle Motorreihen festlegen,” fügt er weiter an.

Dieses Maß an Genauigkeit und Raffinesse wurde durch eine erhöhte Rechenleistung sowie durch die Integration verschiedener Module wie elektromagnetische, thermische und akustische Analyse in ein einziges System ermöglicht. Die Leistung eines Elektromotors kann beispielsweise auch mit Zahnrädern, die in einer mechanischen Umgebung montiert sind, simuliert werden. Altair hat sich daran gemacht, dieses hohe Maß an Integration durch die strategische Akquisition weiterer spezialisierter Design- und Evaluierungs-Software-Unternehmen – EMSS / FEKO® im Jahr 2014 und CEDRAT / FluxTM im Jahr 2016 – zu erreichen.

„Für die Entwicklung eines universellen Werkzeugs braucht es mehr Expertise, da hierfür viel mehr Know-how bezüglich Physik und Maschinen notwendig ist. Nur Entwickler, die die Anwendungen der Maschinen vollständig verstehen und auch verstehen, wie sie funktionieren, können eine solche Lösung entwerfen,“ fügt er weiter an.

Pay-as-you-go-Software
Altair hat zudem die Benutzerfreundlichkeit seiner Software verbessert, was ebenfalls zur Beschleunigung des Prozesses beiträgt. Die radikalste Entwicklung der Simulationssoftware stellt jedoch möglicherweise das patentierte und einheitenbasierte Lizenzierungssystem von Altair dar, das eine gemessene Nutzung seiner gesamten Produktpalette ermöglicht und die Software somit für Unternehmen aller Größen erschwinglicher macht.

„In der Vergangenheit war Simulationssoftware nur für sehr große Unternehmen, die das Budget für die Mehrfachlizenzen und spezifischen Vereinbarungen hatten, finanziell tragfähig“, sagt er. „Heute können Unternehmen die Software abhängig von der Nutzungsintensität bezahlen, was erheblich dazu beiträgt, die Kosten zu senken. Dies war sehr nützlich – nicht nur für Konstrukteure, sondern auch für technische Spezialisten, die in der Lage sind, die Leistung zu bewerten und die Produktion schnell anzupassen“

Das Herzstück der Branche
Unter Berücksichtigung der Bedeutung der Design-Simulation für die Elektromotor- und Transformatoren-Fertigungsindustrie werden die technischen Experten und Anwendungstechniker von Altair auf der kommenden Messe CWIEME für Spulenwicklungs-, Isolierungs- und Elektrohersteller in Berlin einen Vortrag und drei Workshops halten.

Der Vortrag findet am Dienstag, dem 20. Juni, um 15:35-16:15 unter dem Titel „Ganzheitliche Systemleistungsverbesserung – Effizienzsteigerung durch Änderung von Designparadigmen für elektrische Geräte“ im CWIEME Central Theater in Halle 3.1 statt.

Die drei Workshops „Multidisziplinäres Design effizienter elektrischer Geräte“, „Simulationsgesteuertes Design für effiziente Elektromaschinen“ und „Kombination von numerischen Optimierungs- und Simulationsmethoden – eine Chance für Designmuster?“ finden am Mittwoch, dem 21. Juni, um 10:45-12:45, am Mittwoch, dem 21. Juni, um 14:50-15:00, und am Donnerstag, dem 22. Juni, um 10:50-11:50 im CWIEME Workshop Hub in Halle 4.1 statt.

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