Elektrische und elektronische Komponenten in die Simulation integrieren

Elektrik und Elektronik sind Treiber des technischen Fortschritts. Jedoch wird es schwieriger, innovative Produkte so zu entwickeln, dass sie in der realen Welt zuverlässig funktionieren. Es gilt, den Energieverbrauch zu senken, Interferenzen mit anderen Geräten zu vermeiden und die Entwicklungszeit zu reduzieren. Eine Lösung sind technische Simulationen.  von Mark Ravenstahl

Laut einer Studie von ABB [1] nehmen Elektromotoren zwei Drittel des weltweiten industriellen Stroms auf. Dies 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 [2]. Eine Verbesserung der Motoreffizienz um nur einen Prozent würde das Äquivalent von 81 Millionen Tanklastzügen mit je 34.000 Litern Benzin einsparen. Aneinander gereiht würden diese 5-Achser um die halbe Erde reichen.

Das ist nur ein Beispiel dafür, wie Simulationssoftware Konstrukteure unterstützten kann, ihre Entwicklungen zu optimieren und die Energieeffizienz zu verbessern.

Der Siegeszug der Elektrik und Elektronik macht Simulation in der Produktentwicklung unabdingbar. Ingenieure müssen die Auswirkungen der Systemdichte einkalkulieren, da zur Optimierung des Platzbedarfes und zur Verbesserung der Energieeffizienz Komponenten von Hochfrequenzen (HF)- und drahtloser Kommunikation in immer kompaktere Packages integriert werden sollen. Mit der Elektrifizierung von Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen müssen industrielle Komponenten wie Elektromaschinen und Elektronik traditionelle Grenzen überschreiten.

Einer der Entwickler von umfassenden Simulationslösungen ist Ansys. Das Unternehmen bietet eine integrierte Plattform, die Vorgänge einzeln oder multiphysikalisch abbilden kann. Aktuelle Software-Entwicklungen in den Bereichen Elektromagnetik, Elektromaschinen, Hochgeschwindigkeitselektronik und Funkkommunikation helfen den Ingenieuren, die an sie gestellten Funktions- und Zuverlässigkeitsanforderungen termingerecht zu erfüllen.

Der Multiphysik-Workflow

Zur Verbesserung der Motoreffizienz aus dem Eingangsbeispiel lassen sich mit der Ansys-Software Maxwell Leistungsberechnungen für die elektrische Maschine durchführen, einschließlich der bewegungsinduzierten Effekte, die durch lineare translatorische und rotatorische Bewegungen, erweiterte Hystereseanalysen, Entmagnetisierung der Permanentmagnete und andere kritische elektromagnetische Maschinenparameter verursacht werden.

Dabei ist Maxwell nicht isoliert zu betrachten: Denn es nutzt die einheitliche CAD-Datenbasis der Ansys-Workbench-Plattform und lässt sich beispielsweise mit den Programmen Mechanical, Fluent oder Icepak koppeln, um Mechanik-, Wärme-, CFD- und Akustikanalysen durchzuführen. Um alle Faktoren auf die Effizienz einer Elektromaschine zu berücksichtigen, benötigen die Ingenieure solche Multiphysik-Fähigkeiten.

In Maxwell berechnete Verluste dienen etwa als Eingabe für die CFD-Software Fluent, um Temperaturverteilungen zu berechnen und Kühlstrategien zu prüfen. Auf die gleiche Weise nutzt Mechanical die in Maxwell berechneten elektromagnetischen Kräfte und Drehmomente, um Verformungen zu analysieren und mögliche Schwingungen genauer auszuwerten.

High-Performance Computing

Ein wichtiger Treiber der technischen Simulation ist auch das High-Performance Computing (HPC). Unternehmen nutzen heute Dutzende, Hunderte oder gar Tausende von Computerknoten, um immer mehr und immer größere Modelle schneller und zuverlässiger zu simulieren. Die Ansys-Software integriert auf diese Entwicklung abgestimmte numerische Solver und HPC-Methoden, die für Multicore-Maschinen optimiert wurden und sich so skalieren lassen, dass sie die Leistung von Cluster-Rechnern ausnutzen können.

Ein Beispiel ist die Time-Decomposition-Methode (TDM) in der Software Maxwell. Sie erfüllt die Anforderungen an Rechenleistung und –zeiten für die (vollständig transienten) Simulationen von elektromagnetischen Feldern in Elektromotoren, planaren Magneten und Leistungstransformatoren. TDM ermöglicht während der Konstruktionsphase vollständige 3D-Simulationen, die Aussagen über Wicklungsend-Effekte in wenigen Stunden geben können. Durch den geringeren Aufwand der einzelnen Simulationen können Entwickler neue Optionen ausloten, um ihre Entwicklungsziele zu erreichen.

Modellierung und Automatisierung

Entwickler von elektronischen Systemen arbeiten in der Regel auf Basis von Schaltplänen, wobei sie Modelle von Leiterplatten, IC-Bausteinen und Komponenten miteinander verbinden. Dies eignet sich bei relativ einfachen Entwürfen recht gut, wird aber bei größeren und komplexeren Entwicklungen zunehmend arbeitsintensiv und fehleranfällig. Eine auf diesen Entwürfen basierende Simulation beispielsweise ist wertlos, wenn der Ingenieur auch nur eine einzige Punkt-zu-Punkt-Verbindung vergisst.

Die Layout-gesteuerte Baugruppe ist eine hervorragende Methode, da sie durch die Zusammenstellung realer 3D-Modelle von einzelnen Komponenten die Erstellung eines elektrischen Schaltplans überflüssig macht. Eine Layout-basierte 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.

Drahtlose Kommunikation

Antennen sind für eine optimale Leistung von drahtlosen Geräten entscheidend und unerlässlich für Innovationen wie IoT, 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 auch in der Nähe anderer elektronischer Geräte und in großen, komplexen elektromagnetischen Umgebungen wie Büros, Wohnungen oder Autos anstandslos funktionieren.

Neue Lösungen von Ansys unterstützen Unternehmen bei der Entwicklung zuverlässiger Antennen, unabhängig von Größe und Anwendung. Dazu gehört unter anderem die Hochfrequenz-Elektromagnetik-Software HFSS, die Synthese, Aufbau und Analyse von Antennen optimiert. Sie ermöglicht Ingenieuren, auch ohne weitreichende Kenntnisse von Antennen entsprechende Entwürfe und Integrationen zu erstellen und zu optimieren.

Ausblick

Während Simulationen früher ausschließlich von Experten zur Verifikation durchgeführt wurden, ermöglichen die heutigen Automatisierungsfunktionen den Entwicklungsteams bereits frühe Simulationen zur schnellen Prüfung der Auswirkungen von Änderungen an Komponenten anzuwenden.

Um den Einzug von Elektronik in unterschiedlichste Branchen und Anwendungen zu unterstützen, ist eine Plattform ideal geeignet, auf der Ingenieure komplette elektrische und elektronische Produkte simulieren und konstruieren können und die alle notwendigen Physik-Domänen und Systemeffekte berücksichtigt. jbi

Autor: Mark Ravenstahl ist Technical Director Strategic Partnerships and Business Development der Electronics Business Unit bei Ansys.

Literatur

[1] ABB, High-efficiency motors: „Haze Killers“ August 2017. abb.com

[2] Enerdata, Global Energy Statistical Yearbook 2017, August 2017. yearbook.enerdata.net

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