Multiphysik-Simulation: Simulations-Apps optimieren elektrische Fahrzeugantriebe

Von Thomas Forrister

Da immer mehr Kunden ihre Sorge um die Umwelt zum Ausdruck bringen, sind Elektrofahrzeuge auf dem besten Weg, herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor als Verkehrsmittel der Wahl den Rang abzulaufen. Als Antwort auf diese wachsende Nachfrage leisten die führenden Automobilhersteller ihren Beitrag und ebnen den Weg für Elektrofahrzeuge, indem sie neben der Herstellung von Verbrennungsmotoren die Entwicklung von Elektro- und Hybridmotoren vorantreiben. Ein solcher Automobilhersteller ist Volkswagen, dessen Werk Kassel auf die Entwicklung, Planung und Produktion von Elektroantrieben spezialisiert ist und täglich 150 Elektro- und 300 Hybridantriebe produziert.
Als wesentliche Komponenten in elektrischen Antrieben müssen Rotoren auf ihre Festigkeit geprüft werden, da sie im Fahrbetrieb wechselnden Drehzahlbelastungen standhalten müssen. Die Bewertung der Festigkeit von Rotorblechen ist jedoch zeitaufwändig. VW Kassel automatisiert diesen Testprozess für Rotoren, senkt die Entwicklungskosten und erhöht die Produktqualität durch den Aufbau von Multiphysik-Simulations-Applikationen mit der Software Comsol Multiphysics.

Anforderungen ausbalancieren

Im Jahr 2015 begann Volkswagen mit der Entwicklung eines modularen Systems zur Optimierung des Elektrofahrzeug-Designs und zur effizienteren Gestaltung des Fertigungsprozesses. Das Ergebnis war der „Modulare Elektrifizierungs-Baukasten (MEB)“. Der MEB berücksichtigt das Drehmoment, die Leistung und die Drehzahl des Haupt-Hinterradantriebs und des optionalen Frontantriebs, der bei den Allradversionen zum Einsatz kommt (Abbildung 1). Neben anderen Anforderungen, beispielsweise den Übersetzungen für die Achsen, Antriebseinheiten, Gewicht und Radständen, spielt die Auslegung und Platzierung der Hochvolt-Antriebsbatterie eine große Rolle im Gesamtkonzept des MEB. Der Modulare Elektrifizierungs-Baukasten hilft bei der Optimierung der einzelnen Komponenten und des Gesamtsystems; das Zusammenspiel dieser Anforderungen erfordert allerdings eine sorgfältige Abwägung seitens des Designers, insbesondere bei der Berücksichtigung neuer Technologien wie Digitalisierung, autonomes Fahren und elektrische Antriebe.

„Viele Simulationsprogramme sind als Blackbox konzipiert, wogegen Comsol Multiphysics in seiner Transparenz einzigartig ist. Die Software ermöglicht es dem Benutzer, die implementierten Gleichungen anzusehen und zu modifizieren oder sogar eigene hinzuzufügen.“

Dr. Steffen Rothe, Simulationsingenieur bei VW Kassel

Enge Zusammenarbeit zwischen den Abteilungen

Seit Beginn des Entwicklungsprozesses von Elektroantrieben besteht bei VW Kassel eine enge Zusammenarbeit zwischen den Mitarbeitern in Konstruktion, Simulation und Versuch. Zunächst überprüfen die Simulationsexperten die Leistungsvorgaben für einen Elektroantrieb und untersuchen mit Hilfe der Simulation, wie man sich einem optimalen Design am besten nähert. Durch die Verwendung einer Simulations-Applikation können die Konstrukteure verschiedene Varianten vergleichen und die beste auswählen.
Diese Zusammenarbeit ist elementar wichtig und für alle von Vorteil, da die Simulation nicht alle Probleme der realen Welt abdecken kann. Deshalb spielen die Experimente eine wichtige Rolle im Entwicklungsprozess. Darüber hinaus helfen Versuche, die Simulationsmodelle zu verbessern.
„Im Entwicklungsprozess elektrischer Maschinen sind viele Vorgaben zu erfüllen“, erklärt Dr. Steffen Rothe, Simulationsingenieur der Komponentenentwicklung bei VW Kassel. „Einerseits muss die Maschine die elektrischen Anforderungen an Drehmoment und Leistung erfüllen. Auf der anderen Seite muss der Rotor eine gewisse Festigkeit aufweisen, wobei die Fliehkraft die größte Belastung für den Rotor darstellt.“

Ausbalancieren ist Herausforderung

Darüber hinaus kann das Ausbalancieren der verschiedenartigen Anforderungen eine Herausforderung sein, da diese manchmal widersprüchlich sind. Während es beispielsweise unter dem Gesichtspunkt der Elektromagnetik besser ist, filigrane Strukturen zu verwenden, sind dickere Strukturen für die mechanische Festigkeit von Vorteil. Daher sollte man diese Aspekte frühzeitig im Entwicklungsprozess berücksichtigen. Eine Möglichkeit, dies effizient zu realisieren, ist die Simulation aller Lastfälle, die diese Anforderungen abdecken. „Die Simulation“, so Dr. Steffen Rothe, „trägt wesentlich zur Beschleunigung des Konstruktionsprozesses bei.“ „Viele Simulationsprogramme sind als Blackbox konzipiert, wohingegen die Software Comsol Multiphysics in ihrer Transparenz einzigartig ist. Sie ermöglicht es dem Anwender, die implementierten Gleichungen einzusehen und zu modifizieren oder sogar eigene hinzuzufügen“, betont Dr. Steffen Rothe. Darüber hinaus wurde die Software von Anfang an als Multiphysik-Tool konzipiert und ermöglicht dem Anwender, verschiedene physikalische Effekte simultan zu simulieren. So kann der Nutzer verschiedene physikalische Felder kombinieren, um etwas völlig Neues zu erreichen.
Die Analyse dieser komplexen physikalischen Probleme kann jedoch auch für einen Simulationsexperten eine Herausforderung darstellen. Das Team wollte mit Kollegen kommunizieren und auch Nicht-Simulationsexperten in die Lage versetzen, bestimmte Parameter zu testen. Die Konstrukteure konnten diese Anforderungen mit dem Application Builder erfüllen. Mit diesem in Comsol Multiphysics integrierten Werkzeug lassen sich Simulations-Applikationen erstellen, welche die mechanischen Spannungen in einem Rotor und dessen Festigkeit ermitteln.

Spezialisierte Applikationen

Um eine Applikation für Kollegen zur Bewertung der Festigkeit und Lebensdauer von Rotorblechen zu konzipieren, überlegten die Simulationsexperten Marie Hermanns und Dr. Steffen Rothe, welcher Teil des Modells automatisierbar ist, welche Modellparameter variabel sind und welche Ergebnisse die Applikation zeigen soll.
Die Simulationsexperten kamen zu dem Schluss, dass sie für einen typischen Rotoraufbau (Abbildung 2) die Festigkeitsberechnung automatisieren können, um Überdeckungen, Temperaturen und Drehzahlen zu berücksichtigen. Dies sind die Parameter, die Kollegen in anderen Abteilungen selbst ändern können. Zu den allgemeinen variablen Parametern gehören Geometrie, Flächen, Ränder, Kontakte, Anzahl der aktiven Magnete und Materialien. Diese Überlegungen haben Marie Hermanns dabei geholfen, eine intuitive Benutzeroberfläche für die Applikation zu erstellen, mit der die Kollegen die notwendigen Berechnungen durchführen können.
„Die Idee war, eine Applikation für Kollegen zu erstellen, um einen einfachen und schnellen Weg zu ermöglichen, verschiedene Designs zu vergleichen“, sagt Marie Hermanns. „Zusätzlich kann man ein Werkzeug für ein bestimmtes Problem mit einer intuitiven Benutzeroberfläche erstellen. In diesem Fall muss der Anwender nicht die Details der Simulation wissen.“

Standardisierung der Entwicklung

Neben der Automatisierung des Entwicklungsprozesses zwischen den Abteilungen bei VW Kassel helfen spezialisierte Simulations-Applikationen den Ingenieuren bei der Standardisierung ihres Benchmarking-Prozesses von Rotorblechen.
Die Applikation verkürzt die Zeit, die für allgemeine Aufgaben wie die Zuordnung von Randbedingungen, Materialien und Lasten benötigt wird. Sie ist standardisiert und zu einer Benutzeroberfläche zusammengefasst. Ein weiterer Vorteil ist der automatisch generierbare Bericht, der eine Festigkeitsbewertung für Rotorblechschnitte enthält und die Berichtszusammenfassungen teamübergreifend standardisiert (Abbildung 3).
Durch die unkomplizierte Festigkeitsbewertung von Rotorblechen mit Hilfe von Simulations-Applikationen können die Ingenieure von VW Kassel bei der Entwicklung von Elektroantrieben Zeit und Kosten sparen. Die Applikationen tragen auch zur Steigerung der Produktqualität bei, indem sie Simulationsexperten und Nichtexperten gleichermaßen dabei helfen, den langwierigen Modellbauprozess zu automatisieren und Modelle und Ergebnisse zu standardisieren, wodurch der Weg vom Modell über das Konzeptfahrzeug bis zum kommerziell erhältlichen Elektrofahrzeug verkürzt wird. (rt)

Autor: Thomas Forrister ist Content-Autor am MIT CSAIL (MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory).

Abbildung 1 (oben): Schema des MEB, mit dem optionalen Allradantrieb (links, vorne am Fahrzeug) und dem Hauptantrieb (rechts, hinten am Fahrzeug). Bild: Volkswagen AG

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