Sie sind hier: HomeRubrikenAutomotiveSonstiges

Elektromobilität: Elektrische Antriebsmotoren schneller analysieren und optimieren

Bei Elektro- und Hybridantrieben stoßen herkömmliche Entwicklungsmethoden an ihre Grenzen. Deutlich effektiver ist das Multiphysics-Simulationsverfahren, mit dem sich Design-Alternativen in Form von virtuellen Prototypen zeitsparend entwickeln lassen.

Bildquelle: © Toyota
Multiphysics-Simulation für Elektro- und Hybridfahrzeuge.
 
Hybride Elektrofahrzeuge (HEVs) und Elektrofahrzeuge (EVs) sind weltweit auf dem Vormarsch. Was als grüne Design-Studien einiger Automobilhersteller begann, getragen von dem gestiegenen Umweltbewusstsein und der Sorge um die knapper werdenden Erdölreserven, ist längst zu einem ernsthaften Konkurrenten der traditionellen Verbrennungsmotoren geworden. Der Vormarsch der Elektro- und Hybridfahrzeuge beruht auf ihren klaren Vorteilen für den Verbraucher. Hierzu zählt vor allem ihre Kraftstoff­effizienz – bei Elektromotoren werden 75 Prozent der von der Energiequelle (Batterie, Ultrakondensator, Brennstoffzelle usw.) gelieferten Energie in Antriebskraft für die Räder umgesetzt, bei Verbrennungsmotoren dagegen nur ganze 20 Prozent der im Treibstofftank gespeicherten Energie. Der Rest entfällt auf verschiedene mechanische, thermische und elektrische Verluste. Elektrofahrzeuge erzeugen außerdem nahezu null Emissionen – das gilt auch für die vorgesehene Stromerzeugung aus überwiegend Erneuerbaren Energien. Elektromotoren verfügen in der Regel auch über eine höhere Beschleunigung und einen leiseren Betrieb als Verbrennungsmotoren vergleichbarer Größe. Technische Fortschritte in der Material- und Nanotechnologie tragen dazu bei, Gewicht zu sparen und die Lebensdauer der Batterien zu verlängern, so dass sich für HEVs und EVs mit wachsender Serienreife und steigenden Stückzahlen attraktivere Kosten ergeben.

Als Antriebsaggregat werden Permanentmagnetmotoren (Interior Permanent Magnet, IPM) aufgrund ihrer Leistung und ihrer Effizienz aus heutiger Sicht den Markt dominieren. In der Konstruktion dieser Motoren liegt jedoch die größte Herausforderung für die Hersteller. Die Minimierung der elektrischen und magnetischen Verluste spielt eine Schlüsselrolle dafür, eine maximale Reichweite und Kraftstoffeffizienz zu erreichen. Dabei müssen die Ingenieure strukturelle, thermische und elektromagnetische Probleme lösen, die sich auf die Leistung, Zuverlässigkeit und nicht zuletzt die Kosten auswirken.

Das macht Hybrid- und Elektrofahrzeuge im Vergleich zu konventionell angetriebenen Fahrzeugen relativ aufwendig in der Herstellung. Die Hersteller müssen die Kostendifferenzen zwischen Hybriden und ihren konventionellen Äquivalenten überbrücken – und zwar möglichst schnell, um die engen Marktfenster in den sich rasant entwickelnden HEV- und EV-Märkten nutzen zu können.

Zur Erfüllung dieser Anforderungen können sich die führenden Automobilhersteller mit HEV/EV-Ambitionen nicht mehr auf traditionelle Prototypentests nach dem Trial-and-Error-Prinzip verlassen, sondern müssen Entwicklungsverfahren auf Simulationsbasis (Bild 1) anwenden.

 

Bild 1. Elektromagnetische Feldsimulation einer permanentmagneterregten Synchronmaschine. Bildquelle: © Ansys
Bild 1. Elektromagnetische Feldsimulation einer permanentmagneterregten Synchronmaschine.