advanced simulation technologies
D E Z EMB E R 2 0 1 8 1 9
Leistungsfähigkeit und Effizienz sind die obersten Ziele bei der Auslegung
von E-Motoren als Schlüsselkomponente von elektrischen Antrieben.
Ebenso müssen Haltbarkeit und Laufruhe sichergestellt werden. Gleichzeitig
werden im automobilen Einsatz immer komplexere Anforderungen
im Hinblick auf maximale Leistungsdichte und wechselnde Betriebslasten
gestellt.
Um die gegenläufigen Entwicklungsziele von Effizienz und Leistungsfähigkeit
zu erfüllen, sind die Komponenten des E-Motors so zu konzipieren, dass
sie für eine begrenzte Zeitdauer mit Überlast betrieben werden können. Ein
tiefes Verständnis des thermischen Verhaltens aller Motorbauteile ist erforderlich,
um ein Versagen durch Überhitzen zu verhindern. Die thermische
Simulation ist daher eine Kernaufgabe bei der Entwicklung von E-Motoren.
Diese beginnt mit der präzisen Berechnung der elektrischen und mechanischen
Verluste, die als Wärmequellen wirken. In weiterer Folge müssen Wärmeströme
und Temperaturverteilungen in den Strukturen sowie der Abtransport
der Wärme durch das Kühlmedium berücksichtigt werden.
Der Ausgangspunkt jeder detaillierten E-Motor-Analyse ist eine elektromagnetische
Berechnung. AVLs anerkannte Simulationssoftware FIRE™ M
bietet die Möglichkeit, Stator und Rotor für unterschiedliche E-Motorentypen
auf einfachste Weise zu modellieren und eine elektromagnetische Feldberechnung
durchzuführen.
Aus der Verteilung von Stromdichte und magnetischer Flussdichte werden
im Anschluss die elektrischen Verluste berechnet. In Kombination mit mechanischen
und Ventilationsverlusten ergibt sich die Verteilung der Verlustleistungsdichten,
die als Wärmequellen in der thermischen Analyse dienen.
Um die lokalen Temperaturen in den Windungen und Magneten innerhalb
der Materialgrenzen zu halten, werden unterschiedliche Kühlkonzepte
untersucht. Am weitesten verbreitet ist die Kühlung über einen Wassermantel
im Statorgehäuse. Allerdings kommen inzwischen auch der Spritzölkühlung
der Endwicklungen und der Direktölkühlung im gesamten
Wicklungsbereich speziell bei im Getriebe integrierten E-Motoren eine
große Bedeutung zu.
Für die thermische Berechnung eignet sich ein Multi-Domain Modell,
das sowohl die Bereiche der Kühlmedien als auch die Strukturbauteile inkludiert.
Es erlaubt die simultane Berechnung der transienten Strömung
von Gasen und Flüssigkeiten, des Wärmeübergangs zwischen Fluiden und
Strukturkomponenten und des Wärmetransports in Festkörpern. FIRE M
unterstützt dabei mit seinem vollautomatischen Polyedervernetzer die
schnelle Modellerstellung. Die dreidimensionale thermische Berechnung
liefert die Temperatur in jedem Punkt des Modells und zeigt so Schwachstellen
des Kühlkonzepts auf.
Da lokal unterschiedliche Betriebstemperaturen auch das elektromagnetische
Verhalten des E-Motors beeinflussen, ist für eine exakte Analyse das enge
Koppeln zwischen elektromagnetischer und thermischer Berechnung erforderlich.
Ein automatisiertes Interface in der Software verschafft dem Berechnungsingenieur
Arbeitserleichterung und Zeitersparnis.
Aufgrund seiner Rechenzeiten eignet sich das 3D-Berechnungsmodell nicht
für die thermische Simulation kompletter Fahrzyklen. Daher hat AVL einen
Workflow entwickelt, mit dem in wenigen Schritten ein reduziertes Ersatzmodell
für das Systemsimulationswerkzeug AVL CRUISE™ M erstellt wird.
Die Eingabeparameter werden anhand der Ergebnisse des 3D-Modells abgestimmt.
Das so kalibrierte Modell erlaubt im Weiteren die schnelle, jedoch
weiterhin exakte Berechnung der Temperatur aller relevanten Komponenten
des E-Motors für die komplette Bandbreite unterschiedlichster
Betriebsbedingungen.
Aufgrund der Echtzeitfähigkeit eignet sich das Systemmodell
aber nicht nur für den Office-Bereich, sondern auch für den Hardware-inthe
Loop Einsatz sowie am Prüfstand.
Das Ergebnis von AVLs Bemühungen ist eine durchgängige, detaillierte
Modellierungslösung zur Entwicklung von elektrischen Motoren, die das
Erreichen der gesteckten Ziele hinsichtlich Leistung und Bauteilsicherheit
optimal unterstützt.