Simulationslösungen Multiphysik-Simulation bringt die Entwicklung nachhaltiger E-Motoren voran

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In der Mobilitätsfrage ist der E-Motor heute die beste Antwort zur Umsetzung der Klimaziele. Um auch die Herstellung dieser Motoren nachhaltiger zu gestalten, entwickelte das italienische Ingenieurbüro Spin einen E-Motor, der ganz ohne Seltene Erden auskommt. Multiphysik-Simulation beschleunigte den Entwicklungsprozess maßgeblich.

Das 1999 gegründete Ingenieurbüro Spin mit Sitz in Piacenza hat sich auf Analyse, Design, Optimierung sowie Prototyping, Testen und die Produktion von elektrischen Geräten und Motoren spezialisiert. Spin bietet seine Dienstleistungen verschiedenen Branchen an, von der Automobilindustrie über die Luftfahrt und den Maschinenbau bis hin zu Herstellern von Haushaltsgeräten und anderen. Seit einigen Jahren setzt das Unternehmen dabei in der Entwicklung von verschiedenen Elektromotoren und elektromechanischen Geräten auf die Simulationstechnologie von Altair.

Alternative zu Permanentmagnetmotoren

Permanentmagnetmotoren sind bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen wegen ihres hohen Wirkungsgrades, dem hohen Anlaufdrehmoment und ihres geringen Bauraums weit verbreitet. Allerdings erfordert die Herstellung von permanenterregten Motoren teure Seltenerdmetalle, für deren Abbau enorme Mengen an Energie und Wasser eingesetzt werden müssen. Hinzu kommt, dass dieser Basis-Rohstoff für Elektromobilität und viele andere grüne Technologien bisher schwer zu recyceln ist und der internationale Handel oft von geopolitischen Konflikten beeinträchtigt wird.

Um eine Alternative zum Permanentmagnetmotor zu finden und neue Grenzen bei der Entwicklung und Herstellung von Elektromotoren auszuloten, initiierte Spin im Jahr 2017 ein Projekt, das sich auf den Ersatz von Seltenerdmaterialien in diesen Motoren konzentrierte. Ziel des Projektes war es, einen nachhaltigeren Motor zu entwickeln, der ohne die üblichen Permanentmagnete aus Seltenen Erden auskommt, aber dennoch hocheffizient ist und sämtliche Leistungsziele erfüllt.
Um diesen neuen Ansatz zu verfolgen, war es erforderlich, zahlreiche Analysen des neuen Motordesigns durchzuführen, die dem Unternehmen die nötige Sicherheit bei Entscheidungen im Designprozess der Neuentwicklung geben. Dafür benötigte das Team ein Werkzeug, mit dem es vor dem Bau eines Prototypen Aspekte des Verhaltens und der Leistung ihres Motors virtuell untersuchen, bewerten und verbessern konnte.

Multiphysik-Simulation für den perfekten E-Motor

Das Ingenieursteam setzte in der Entwicklung ihres neuen Motors zahlreiche Simulationslösungen ein, um Seltene Erden im Design zu eliminieren. Insbesondere während der Vorentwurfsphase untersuchte Spin dazu zahlreiche verschiedene Motorkonfigurationen, um deren Leistungsfähigkeit vorherzusagen und konkrete Vorentwürfe präzise zu erstellen.

Bevor mit dem Bau des Prototyps begonnen wurde, führte Spin zunächst elektromagnetische Finite-Elemente-Modellierungen (FEM) durch, für die Altair Fluxmotor und Altair Flux zum Einsatz kamen. Diese Analysen ermöglichten die Bewertung der Geräteleistung und der elektrischen Parameter, einschließlich Drehmoment, Phasenspannung, magnetische Flussdichte, Energieverluste und Maschineneffizienz in verschiedenen Betriebszuständen.

Einen weiteren Schwerpunkt legte das Team auf die Bewertung der mechanischen Aspekte des Motors, für die sie Altair-Lösungen zur Durchführung von strukturellen Rotoranalysen und vibro-akustischen Auswertungen verwendeten. Für die mechanische und strukturelle Analyse wurden die entsprechenden Tools der Altair Hyperworks-Plattform verwendet. Besonders hervorzuheben sind die Lösungen für numerische Strömungssimulation (CFD - Computational Fluid Dynamics), die es den Ingenieuren ermöglichte, Strömungs- und Wärmeeffekte ihres Design-vorschlags zu verstehen.

Den Abschluss der Analysen bildete die thermische Simulation, die eine entscheidende Rolle bei der Überprüfung der Leistung und des Erfolgs der Motorentwicklung spielte. Darüber hinaus ermöglicht es die multidisziplinäre Systemsimulation dem Unternehmen, das Gesamtsystemverhalten ihres Produktes früher zu verstehen und wichtige Wechselwirkungen zwischen Komponenten und Subsystemen zu bewerten.

Entwicklungszeit durch Multiphysik-Simulation erheblich verkürzt

Dank Altair Hyperworks und der multiphysikalischen Analysemöglichkeiten der Plattform konnte das Team beträchtliche Fortschritte bei der Entwicklung eines neuen, hocheffizienten Produkts erzielen: dem Synchron-Reluktanzmotor. Durch den Einsatz der Altair-Werkzeuge ließen sich verschiedene Designaspekte nahtlos in den Entwicklungsprozess integrieren, was nicht nur die Qualität und Zuverlässigkeit des Motors steigerte, sondern auch die Entwicklungszeit erheblich verkürzte. Die Tools ermöglichten es auch, die spezifischen Marktanforderungen des Motors, der Batterie und des Wechselrichters frühzeitig zu berücksichtigen. Korrelierte Simulations- und Prüfstandsdaten bestätigten die Leistung und Effizienz des Motors.

Das Ergebnis ist ein Design, das auf Seltene Erden verzichtet und sämtliche Leistungsziele erfüllt, und für das Spin im Jahr 2021 das Patent anmelden konnte. Aktuell entwickelt Spin eine Reihe von Reluktanzmotoren mit unterschiedlichen Leistungsstufen. Mit der Entwicklung dieser neuen Generation von hocheffizienten, geräuscharmen und seltenerdfreien Synchron-Reluktanzmotoren ist Spin ein Schritt in Richtung nachhaltigere E-Motoren gelungen. „Die Altair-Softwarelösungen bieten das perfekte Toolkit, um die heutigen Designherausforderungen zu lösen und ermöglichen es uns, in der elektrischen Welt neue Technologien schneller als je zuvor auf den Markt zu bringen“, sagte Matteo Betti, Technology Manager, Spin Applicazioni Magnetiche. 

Der Autor Christoph Donker  ist Director EMEA Marketing bei Altair.