Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Im Zuge der fortschreitenden Elektrifizierung und des steigenden Einsatzes von umrichtergespeisten Elektromotoren stehen Hersteller und Entwickler vor neuen Herausforderungen. Immer kürzere Entwicklungszyklen, gepaart mit stetig steigenden Anforderungen hinsichtlich Wirkungsgrad oder Drehmomentdichte, erfordern in der Multi-Domänenentwicklung elektrischer Maschinen innovative Ansätze. Eine vielversprechende Lösung liegt im Aufbau integrierter, simulationsgestützter Entwurfsprozessketten, die eine automatisierte Generierung und Bewertung verschiedener Designs ermöglichen. Am Fraunhofer IFAM werden spezifische Methoden und bedarfsgerechte Entwurfsprozessketten entwickelt, um schnell Entwürfe elektrischer Maschinen zu erstellen und diese unter Berücksichtigung von fertigungstechnischen und materialwissenschaftlichen Innovationen zu bewerten.
Komplexität bei der Entwicklung von E-Maschinen
Die Entwicklung von E-Maschinen ist in vielerlei Hinsicht komplex. Zum einen müssen hohe Anforderungen erfüllt werden, wie etwa bezüglich des zu erzielenden Wirkungsgrades, der Leistungsdichte oder der Kosten. Zum anderen ist die Entwicklung von E-Maschinen ein Multidomänenproblem. Das bedeutet, dass für die Designfindung mehrere Entwicklungsdomänen berücksichtigt werden müssen, um die Funktion der E-Maschine sicherzustellen und die Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfeldes zu erfüllen. Für E-Maschinen müssen die Designs aus elektromagnetischer, thermischer, struktur- und rotordynamischer, sowie NVH (Noise, Vibration, Harshness) -Sicht ausgelegt und analysiert werden. Neben den klassischen Ingenieurdisziplinen müssen auch die ökologische und ökonomische Dimension eines Entwurfs betrachtet werden. Zudem ist die Fertig- und Montierbarkeit des jeweiligen Entwurfs zu berücksichtigen.
Herausforderungen konventioneller Entwurfsprozesse
In konventionellen Entwurfsprozessen, wie sie häufig in der Entwicklung elektrischer Antriebe vorzufinden sind, werden die genannten Domänen sequentiell bearbeitet. Hierbei werden in der Regel Designentscheidungen in der elektromagnetischen Domäne getroffen und anschließend an die anderen Domänen weitergegeben, um Simulationen und Berechnungen durchzuführen und das jeweilige Design aus Sicht der anderen Domänen abzusichern. Stellen sich Designs als ungeeignet heraus, müssen Teile oder der gesamte Entwurfsprozess von neuem angestoßen werden. Dieses Vorgehen führt zu manueller, aufwändiger Kommunikation, Informationsverlust, langen Design-Iterationszyklen und Entscheidungen auf Basis einzelner Domänen, anstatt einer domänenweiten Betrachtung.
Effiziente Entwürfe elektrischer Maschinen durch multidisziplinäre Entwurfsprozessketten
Eine effiziente Alternative stellt der Einsatz von multidisziplinären, automatisierten Entwurfsprozessketten (Multidisciplinary Design Automation(MDDA)) dar. Dabei werden verschiedene Simulationstools bedarfsgerecht integriert, um generativ erzeugte Modelle der E-Maschine zu analysieren und zu bewerten. Am Fraunhofer IFAM wird an Methoden geforscht, die den bedarfsgerechten Aufbau entsprechender Entwurfsprozessketten unterstützen und so die Adaption von MDDA für die eigenen Prozesse erleichtern sollen. Ein Schwerpunkt liegt zudem darauf, innovative Komponenten wie z.B. Gusswicklungen oder additiv gefertigte Wicklungen, schnell und anwendungsbezogen mithilfe der Prozessketten zu bewerten.