Digital Engineering Multiphysik-Optimierung leicht gemacht

Die holistische Entwicklung von E-Motoren benötigt eine neue Denkweise: Altair begegnet dieser Herausforderung mit simulations- und datengetriebener Entwicklung. Die neue Lösung E-Motor Director ist die praktische Umsetzung dieser Strategie.

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Komplexe Zusammenhänge: Mit dem E-Motor Director von Altair können Anwender nahezu jede Multiphysik-Studie erstellen.
Komplexe Zusammenhänge: Mit dem E-Motor Director von Altair können Anwender nahezu jede Multiphysik-Studie erstellen.
(Bild: Altair/2021 Sergii Chernov/Shutterstock)

Simulation und Optimierung sind zentrale Entwicklungswerkzeuge, um sicherzustellen, dass alle technischen Anforderungen bei minimalen Kosten und minimalem Zeitbedarf erfüllt werden können. Bei der Auslegung und Dimensionierung von Motoren kommen viele Parameter zum Tragen: Elektromagnetik, thermische Aspekte, mechanische Belastungen und die Effizienz im Betriebsbereich.

Anhand sogenannter DoE (Design of Experiments, statistische Versuchsplanung) können Konstrukteure und Entwickler aus einer Vielzahl von Parametern die relevanten Einflussfaktoren für ein Produkt ermitteln und Zusammenhänge sichtbar machen. Altair stellt mit E-Motor Director (Altair-Schreibweise: eMotor Director) jetzt eine Simulationslösung für die Entwicklung von E-Motoren vor, die diesen Prozess vereinfacht. Das Tool unterstützt Zielabwägungen, liefert Informationen über Kompromisse und ermöglicht die Untersuchung von „Was-wäre-wenn“-Szenarien.

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Komplexe Anforderungen berücksichtigen

Traditionell findet die Entwicklung oft in mehreren parallelen Disziplinen statt. Üblicherweise führen dann weitere Diskussionen und unvorteilhafte Kompromisse hinsichtlich der Leistungsmerkmale zu einem endgültigen Entwurf. Wie viel Steifigkeit und Haltbarkeit müssten geopfert werden, um das Ziel der Gewichtsreduzierung eines Motors zu erreichen? Würden sich Änderungen zur Verbesserung der Wärmeleistung auf den Wirkungsgrad des Motors auswirken? Gibt es eine ausgewogene Kombination von Eigenschaften, welche die Programmkriterien besser erfüllt als eine bestehende Konstruktionsvariante? All diese Fragen sind ohne eine ganzheitliche Entwicklungsstrategie äußerst schwierig zu beantworten.

Multiphysik-Optimierung leicht gemacht

Um zukünftigen Anforderungen besser gerecht zu werden, ohne dass die Zielerfüllung wesentlich beeinträchtigt wird, kommen Optimierungsmethoden zum Einsatz, die integrierte Entwicklungsstrategien unterstützen. Dieser Prozess, der als Multiphysik-Optimierung bezeichnet wird, kann Anforderungen berücksichtigen, die sich gleichzeitig aus verschiedenen physikalischen Phänomenen ergeben. Multiphysik-Optimierungen ermöglichen Konstrukteuren, komplexe Anforderungen einzubeziehen, um Standards und Ziele einzuhalten. Ein Beispiel: Das klassische Problem der Motoreneffizienz und -leistung wird mit anderen physikalischen Faktoren gekoppelt, um thermische Effekte, strukturelle Randbedingungen und Vibrationen zu berücksichtigen.

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Mit dem Altair-E-Motor-Director können Anwender nahezu jede Multiphysik-Studie erstellen und ausführen und dabei komplexe Simulationsketten, Datenabhängigkeiten und viele Designanforderungen beachten. Antriebsstrang­entwickler haben die Möglichkeit, Studien zu definieren, die den Motor als eine Integration von Systemmodellen betrachten, um den kompletten E-Antriebsstrang zu optimieren.

Bestandteile von E-Motor Director

Multiphysik-Prozesse sind mit vielen logistischen Herausforderungen verbunden, insbesondere in Bezug auf die Einrichtungszeit und die Reproduzierbarkeit. Um einen nachhaltigeren Prozess zu schaffen, legte Altair seinen Schwerpunkt auf die konsistente Behandlung von Designänderungen in den verschiedenen physikalischen Prozessen, auf das Erreichen eines hohen Automatisierungsgrades sowie auf die Sicherstellung eines effizienten Datenaustausches zwischen den verschiedenen Designprozessen. Die Plattform kombiniert verschiedene und seit langem bewährte Altair-Produkte wie Flux Motor, Optistruct, Hyperstudy oder Hyperworks zu einer Lösung. Sie besteht aus folgenden Tools:

  • Neu hinzugefügt wurde eine Bedienoberfläche, die sämtliche Funktionalitäten beinhaltet und dem Anwender die Bedienung erleichtert.
  • Die Basis der Lösung ist Hyperstudy für die Optimierung. Damit wird der Zugang sichergestellt zu den Optimierungstools in Hyperstudy, beispielsweise für die Erstellung und auch Optimierung von DoE.
  • Altair Pulse ist ein neues Prozesstool für Studienszenarien, in dem die Abfolge der einzelnen Simulationen definiert wird. Hier wird dem Anwender visuell angezeigt, welche Simulationen in welcher Reihenfolge durchgeführt werden.
  • Offenheit: Best-Practices von Kunden können dank Batchskripten in E-Motor Director eingebunden werden.
  • Im Detail stecken dahinter sogenannte „Key Building Blocks“: Die „Geometry Engine“ stellt sicher, dass – unabhängig von der Physik und dem verwendeten Tool – immer die gleiche Geometriebeschreibung verwendet wird. Die „Study Setup Engine“, ein Drag-and-drop-Tool, dient der Definition der Studienszenarien. Die Data Generation Engine unterstützt dabei, das Setup für Hyperstudy aufzusetzen. Die „Decision Engine“ ist ein Modul für Optimierungsstudien. Hier können einer oder mehrere Motoren in einer Motorenfamilie auf Basis einer oder mehrerer DoE-Studien optimiert werden.

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Das Buch Praxishandbuch Antriebsauslegung hilft bei der Auswahl der wesentlichen Bestandteile elektrischer Antriebssysteme: Motor, Getriebe, Stellgerät, Netzversorgung sowie deren Zusatzkomponenten. Auch auf die Berechnung wird intensiv eingegangen.

Wie die Plattform funktioniert

  • Zu Beginn des Prozesses stellen Experten ihre Simulationsmodelle aus den Bereichen Elektromagnetik, Haltbarkeit, NVH und Kühlung zur Verfügung. Die Plattform fügt dann alle Attributmodelle zusammen und ermittelt das beste Design unter Berücksichtigung der verschiedenen Attributziele. Das Tool unterstützt Zielabwägungen, liefert Informationen über Kompromisse und ermöglicht die Untersuchung von „Was-wäre-wenn“-Szenarien. Die Informationen zur optimierten Designentscheidung werden dann an die Design- und Attributteams zurückgegeben.
  • In der ersten Phase des Prozesses geht es darum, den richtigen Ausgangspunkt für den multiphysikalischen Entwurfsprozess zu finden. Ausgehend von einer klassischen Rotor­topologie können verschiedene Wicklungskonfigurationen hinsichtlich des max. Drehmoments und der max. Leistung für wichtige Arbeitspunkte, z. B. den Basispunkt, untersucht werden.
  • Nach der Festlegung eines Designbereichs hilft die Optimierung bei der Bestimmung der besten Position, Ausrichtung und Größe der Magnete innerhalb des Rotors. Die Simulation kombiniert globale und lokale Designvariablen, um die optimalen Radien zu bestimmen und Spannungen detailliert zu betrachten.
  • Schließlich werden in einer DoE-Studie die Ergebnisse aller Geometrie- und Konstruktionsvarianten eines bestimmten Bereichs aufgezeichnet. Eine solche Studie kann theoretisch eine beliebige Anzahl von Arbeitspunkten und/oder Fahrzyklen beinhalten. Dadurch lässt sich die Komplexität des realen Designproblems gut erfassen. Die Domainbedingungen auf Makroebene schränken dann die Anzahl der realisierbaren Entwürfe ein und eliminieren Ergebnisse, die außerhalb der akzeptablen Zielwerte liegen.
  • Alle Schritte können automatisch ausgeführt werden, was Zeit spart und die Reproduzierbarkeit bei Änderungen an der Geometrie oder bei der Prüfung der Ausgewogenheit des Designs in künftigen Projekten gewährleistet.

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Wie es zur Entwicklung von E-Motor Director kam

Die Entwicklung der Plattform geht zurück auf Anforderungen von Altair-Kunden aus dem Bereich Elektromagnetik und E-Motor-Entwicklung. Im Jahr 2018 startete Altair mit verschiedenen Kunden aus dem Automotive-Bereich Projekte mit dem Ziel, multiphysikalische Optimierungen anhand von Studienszenarien zu vereinfachen. Mit diesen Erfahrungen aus den Projekten mit Porsche und AMG beispielsweise startete Altair die formale Entwicklung der Plattform, die 2020 in der Beta-Version gelauncht wurde.

Im Rahmen der Altair-Sommerakademie wurde die Lösung von Dr. Lars Fredriksson, Vice President, Global Automotive Business, bei Altair, in einem Webinar vorgestellt: Hier gehts zur Aufzeichnung.

* *Monika Zwettler, Redakteurin konstruktionspraxis

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