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Motoreffizienz und Energieverbrauch verbessern Besser entwickeln durch Simulation

14.03.2018

Mit der Elektrifizierung von Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen müssen industrielle Komponenten wie Elektromaschinen und Elektronik traditionelle Grenzen überschreiten. Neue Denkweisen und Entwicklungsrichtungen sind deshalb gefragt. Bei deren Umsetzung hilft technische Simulation.

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Elektronik ist in der Welt von heute allgegenwärtig. Ob E-Maschinen, schnelle elektronische Geräte, Antennen oder drahtlose Kommunikation – die Nachfrage wächst kontinuierlich. Jedoch wird es zunehmend schwieriger, Produkte zu entwickeln, die den steigenden Ansprüchen gerecht werden. Schließlich soll der Energieverbrauch sinken, Interferenzen mit anderen Geräten vermieden und die Entwicklungszeit verkürzt werden. Viele Unternehmen setzen daher auf technische Simulationen, um Produkte – die die Erwartungen erfüllen oder sogar übertreffen – schneller auf den Markt zu bringen.

Hochleistungselektronik hat in jeder Branche einige der bemerkenswertesten Innovationen hervorgebracht. Die bahnbrechenden Erfindungen wie die modernen Fahrerassistenzsysteme (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS), das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT), die 5G-Kommunikation, der Hybridantrieb und andere Innovationen machen eine fortschrittliche Simulation von elektromagnetischen Feldern unabdingbar, damit branchenführende Unternehmen Produkte schneller entwickeln, optimieren und auf den Markt bringen können. Ingenieure müssen die Auswirkungen der Systemdichte einkalkulieren, da zur Optimierung des Platzbedarfs und zur Verbesserung der Energieeffizienz Komponenten von Hochfrequenzen (HF) und drahtloser Kommunikation in immer kompaktere Packages integriert werden sollen. Durch präzise Simulationen können Ingenieure die Leistung ihrer Konstruktion detailliert vorhersagen und innovative Produkte entwickeln. Ansys unterstützt die Entwicklung von hochmodernen Produkten mit leistungsstarken Innovationen wie einer integrierten Plattform, die einzel- und multiphysikalische Vorgänge abbilden kann, um das Beste aus computergestützter Simulation herauszuholen. Die Software-Innovationen von Ansys in den Bereichen Elektromagnetik, Elektromaschinen, Hochgeschwindigkeitselektronik und HF-/Funkkommunikation helfen den Ingenieuren, die an sie gestellten Funktions- und Zuverlässigkeitsanforderungen termingerecht zu erfüllen.

Laut einer Studie von ABB nehmen Elektromotoren zwei Drittel des weltweiten industriellen Stroms auf. Das entspricht
28 Prozent des gesamten globalen Stromverbrauchs – eine gewaltige Energiemenge, wenn man bedenkt, dass weltweit pro Jahr etwa 24.000 Terawattstunden an elektrischer Energie genutzt werden. Eine Verbesserung der Motoreffizienz um nur ein Prozent würde das Äquivalent von 81 Millionen Tanklastzügen mit je 34.000 Litern Benzin einsparen. Aneinandergereiht würden diese 5-Achser um die halbe Erde reichen. Es versteht sich von selbst, dass diese Möglichkeiten zur Energieeinsparung genauer untersucht werden sollten. Die Simulationssoftware von Ansys unterstützt die Konstrukteure von Elektromaschinen, ihre Entwicklungen zu optimieren und die Energieeffizienz zu verbessern.

Workflow bei umfassender Multiphysik

Zur Verbesserung der Motoreffizienz führt die Ansys-Maxwell-Software rigorose Leistungsberechnungen für die Maschine durch, einschließlich der bewegungsinduzierten Effekte, die durch lineare translatorische und rotatorische Bewegungen, erweiterte Hysterese-Analysen, Entmagnetisierung der Permanentmagneten und andere kritische elektromagnetische Maschinenparameter verursacht werden. Maxwell nutzt dieselbe CAD-Quelle und kann über die Ansys-Workbench-Plattform mit Ansys Mechanical, Ansys Fluent oder Ansys Icepak gekoppelt werden, um Spannungs-, Wärme-, CFD- und Akustikanalysen durchzuführen. Diese Multiphysik-Fähigkeiten werden für eine detaillierte Analyse aller Faktoren benötigt, die sich auf die Effizienz der Elektromaschine auswirken. Beispielsweise können die von Maxwell berechneten Verluste als Eingaben für die CFD-Software verwendet werden, um Temperaturverteilungen zu berechnen und Kühlstrategien zu prüfen.

In Maxwell berechnete elektromagnetische Kräfte und Drehmomente können in Ansys Mechanical eingegeben werden, um Verformungen zu analysieren und mögliche Schwingungen genauer auszuwerten. Nur die Ansys-Plattform erreicht diese Tiefe bei der Multiphysik-Analyse. Dadurch werden Maschinenkonstruktionen möglich, die den Stromverbrauch deutlich senken. Eine der wichtigsten Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der technischen Simulation ist das High-Performance Computing (HPC). Unternehmen nutzen heutzutage Dutzende, Hunderte oder gar Tausende von Computerknoten, um immer mehr und immer größere Modelle schneller und zuverlässiger zu simulieren. Die Ansys-Software liefert wegweisende numerische Solver und HPC-Methoden, die für einzelne Multicore-Maschinen optimiert wurden und dennoch skalierbar sind zur Nutzung der vollen Leistung eines jeden Clusters. Die Entwicklung mit Hilfe der parametrischen Analyse erfolgt deutlich schneller, wenn sie über ein Cluster skaliert wird. Motormaße, Antriebsströme, Drehzahlen, Drehmomentbelastungen und andere Simulationsparameter können an verschiedenen Punkten ausgewertet und gleichzeitig auf mehreren Cores gelöst werden.

Baugruppenmodellierung in 3D

Die neue Time-Decomposition-Methode (TDM) in Ansys Maxwell nutzt die Vorteile moderner Compute-Cluster. Die TDM liefert die für die Durchführung von vollständig transienten Simulationen von elektromagnetischen Feldern erforderliche Rechenleistung und Geschwindigkeit, die für Elektromotoren, planare Magnetik und Leistungstransformatoren nötig sind. Dadurch können Ingenieure alle Zeitschritte gleichzeitig anstatt nacheinander lösen. Außerdem lassen sie sich damit auch auf mehrere Cores, vernetzte Computer und Compute-Cluster verteilen.

Die TDM ermöglicht bereits während der Konstruktionsphase vollständige 3D-Simulationen, so dass Details wie Wicklungsendeffekte oder unterteilte Magnete, wie sie in Elektromaschinen üblich sind, in wenigen Stunden geprüft und berücksichtigt werden können. Das Ergebnis ist eine deutliche Steigerung der Simulationskapazität und Simulationsgeschwindigkeit. Diese Steigerung ermöglicht es den Konstruktionsteams, bereits zu Beginn des Entwicklungsprozesses viele weitere Optionen auszuloten, um den Stromverbrauch zu reduzieren und andere Anforderungen zu erfüllen.

Elektroingenieure nutzen seit jeher eine auf elektrischen Schaltplänen basierende Konstruktion, um Modelle für Leiterplatten, IC-Bausteine und Komponenten miteinander zu verbinden. Dies eignet sich bei relativ einfachen Konstruktionen recht gut, wird aber bei größeren und komplexeren Entwürfen zunehmend arbeitsintensiver und fehleranfälliger. Wenn der Ingenieur nur eine einzige Punkt-zu-Punkt-Verbindung für einen einzelnen Knoten übersieht, sind die Simulationsergebnisse wertlos. Die layoutgesteuerte Baugruppe ist eine hervorragende Methode, da sie durch die Zusammenstellung realer 3D-Modelle von einzelnen Komponenten die Erstellung eines elektrischen Schaltplans überflüssig macht. Eine layoutbasierte Umgebung ist so aufgebaut, dass sie automatisch ein Modell für moderne 3D-Elektromagnetik-Simulationen vorbereitet, indem sie sofort nach dem Platzieren eines Bauteils auf der Platine alle elektrischen Verbindungen herstellt. Dies vereinfacht den Geometrieaufbau deutlich, so dass der Ingenieur mit dem Layout eine vollständige Simulation der elektrischen Schaltungen starten kann.

Antennenintegration ohne Vorkenntnisse

HF und drahtlose Antennen sind für eine optimale Leistung von drahtlosen Geräten entscheidend und unerlässlich für Innovationen wie Internet of Things, autonomes Fahren und vieles mehr. In unserer modernen drahtlosen Welt verfügen Geräte über mehrere Antennen für verschiedene Funkdienste und zur Verarbeitung mehrerer Eingangs- und Ausgangssignale (Multiple Input, Multiple Output, MIMO). Darüber hinaus müssen sie in der Nähe anderer elektronischer Geräte und in großen, komplexen elektromagnetischen Umgebungen wie Büros, Wohnungen oder Autos funktionieren. Die neuen Produkte von Ansys unterstützen Unternehmen bei der Entwicklung zuverlässiger Antennen, unabhängig von Größe und Endanwendung. Dazu gehört unter anderem die Hochfrequenz-Elektromagnetik-Software Ansys HFSS, welche die Synthese, den Aufbau sowie die Analyse von Antennen optimiert. Sie ermöglicht es Ingenieuren, auch ohne weitreichende Kenntnisse von Antennen entsprechende Entwürfe und Integrationen zu erstellen und zu optimieren.

Interferenzen mit anderen Arrays prüfen

Zukünftig werden Fortschritte bei elektronischen Produkten weitreichend sein und in einer Vielzahl von Branchen Anwendung finden. Um diese Entwicklungen zu realisieren, bedarf es einer Plattform, auf der Ingenieure komplette elektrische und elektronische Produkte simulieren und konstruieren können und die alle notwendigen Physiken und Systemeffekte berücksichtigt. Sei es das kleinste Detail einer komplexen integrierten Schaltung oder ein komplettes Produkt – zum Beispiel ein Automobil. Während Simulationen früher ausschließlich von Experten zur Verifikation durchgeführt wurden, ermöglichen die heutigen Automatisierungsfunktionen dem Produktentwicklungsteam bereits im Vorfeld des Entwicklungsprozesses Simulationen zur schnellen Prüfung der Auswirkungen von Änderungen an Komponenten anzuwenden.

Ansys-Elektromagnetik-Produkte simulieren nicht nur das elektromagnetische Verhalten eines Motors, einer Leiterplatte oder einer Antenne, sondern setzen auch die Bauteile digital in die Betriebsumgebung ein. Dadurch können sie die wirkliche Leistung überprüfen – und das sogar bei Interferenzen mit anderen Arrays.

Modellierung der Elektromagnetik

Das automatisierte Elektronikdesign hat sich seit den Tagen, als das IC-Design von den Fähigkeiten des lithographischen Herstellungsprozesses abhing, wesentlich weiterentwickelt. Als jedoch Layout und Entwurf als eine Einheit betrachtet werden konnten, erhöhten sich die Geschwindigkeiten der elektronischen Signalübertragung und die Signalintegrität stellte die Elektroingenieure mit kurzen Signalanstiegszeiten, den Übertragungsleitungs-Effekten sowie Crosstalk vor neue Herausforderungen. Deshalb wurde die Modellierung der Elektromagnetik zu einem Muss. Aufgrund hoher Packaging-Dichten, schneller Signalwege und hoher Frequenzen müssen Layout- und Elektromagnetik-Tools heute gemeinsam eingesetzt werden, um das Optimum an Leistung und Zuverlässigkeit zu erzielen. Die Schaltkreis- und Systemanalyse ist heute fester Bestandteil einer umfassenden Lösung für EM-Baugruppen und nicht mehr nur der Treiber. Die Analyse von Transientenschaltungen kann direkt aus dem Layout heraus durchgeführt werden, so dass Elektroingenieure ein virtuelles digitales Elektroniksystem mit IC-Bausteinen, Leiterplatten, Steckverbindern und Kabeln zusammenstellen und dieses System unmittelbar analysieren können, um die entsprechende Technologie bestmöglich zu nutzen.

Bildergalerie

  • Mit Hilfe der Ansys-Simulation konnte WEG die beste Energieeffizienz seiner Klasse, ein außergewöhnlich niedriges Geräuschniveau und eine Lagerlebensdauer von über 100.000 Betriebsstunden erreichen.

  • Simulation eines Smartphones in Ansys HFSS. Links ist die Kopplung zwischen Antennen und Komponenten über das gesamte Frequenzspektrum und rechts die zugehörige 3D-Geometrie dargestellt.

  • Ansys EMIT ist ein Tool zur Auswertung von HF-Interferenzen, mit dem die Systemleistung in komplexen HF-Umgebungen analysiert werden kann. Die roten Quadrate in der Szenario-Matrix zeigen Probleme mit HF-Interferenzen an, während die grünen Quadrate keine Probleme aufweisen.

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