Engineering Entwicklung von Elektromotoren: Wie drei Komponenten zusammenspielen

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Mit dem unaufhaltsamen Voranschreiten der Elektrifizierung rücken die 
Herausforderungen der Elektromobilität zunehmend in das Bewusstsein der Verbraucher. Insbesondere die begrenzte Reichweite und die Notwendigkeit einer effizienten Ladeinfrastruktur für Langstreckenfahrten sind zentrale Anliegen bei der Entwicklung von Elektromotoren.

Die Batterietechnologie spielt eine entscheidende Rolle, da sie direkten Einfluss auf die Reichweite von Elektrofahrzeugen mit einer Ladung hat. Elektroautos, wie auch Hybridfahrzeuge, werden jedoch nicht von einer einzelnen Technologie angetrieben, sondern von einem harmonischen Zusammenspiel dreier wesentlicher Komponenten: Elektromotoren, Batterien und Fahrzeugsteuerung. Diese Dynamik ist entscheidend für die Zukunft der Elektromobilität.

Elektromotoren wandeln den aus den Batterien gewonnenen Strom durch elektromagnetische Kräfte in mechanische Energie um, die das Fahrzeug antreibt. Allerdings wird nicht die gesamte während des Ladevorgangs gewonnene Energie effizient genutzt: Ein Teil geht durch Wärme oder Reibung verloren. Für die Erstausrüster (Original Equipment Manufacturer, OEM) ist das Erreichen einer möglichst hohen Energieeffizienz das vorrangige Ziel bei der Entwicklung von Elektromotoren. Damit soll sichergestellt werden, dass ein möglichst großer Teil der in der Batterie gespeicherten Energie auch tatsächlich vom Elektromotor genutzt wird, um die Reichweite des Fahrzeugs zu maximieren. Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein tiefes Verständnis der physikalischen Prinzipien, die dem jeweiligen Design zugrunde liegen, unerlässlich.

Simulationsgestütztes Engineering als Erfolgsfaktor

Bei der Entwicklung von Elektromotoren ermöglicht das simulationsbasierte Engineering ein tieferes Verständnis der komplexen physikalischen Zusammenhänge. Dieser automatisierte Ansatz umfasst verschiedene Bereiche wie elektromagnetische Felder, thermische Dynamik und mechanische Komponenten. Durch den ganzheitlichen Ansatz wird nicht nur eine effiziente Bereitstellung von Softwarelösungen erreicht, sondern auch eine Rationalisierung des gesamten Entwicklungsprozesses. Ein Schlüsselelement des simulationsbasierten Engineerings ist die kontinuierliche Bereitstellung standardisierter Softwarelösungen. Dieser Ansatz fördert die durchgängige Umsetzung von Entwicklungsprozessen sowohl auf der Produkt- als auch auf der Simulationsebene.

Durch die automatisierte und standardisierte Vorgehensweise werden nicht nur die Entwicklungszeiten verkürzt, sondern auch die Produktqualität erhöht. Insgesamt erstreckt sich das simulationsbasierte Engineering über die gesamte Wertschöpfungskette der Entwicklung von Elektromotoren. So lassen sich verschiedene Systeme nahtlos integrieren und ein Zusammenspiel erreichen.Ziel ist es, Elektromotoren zu entwickeln, die nicht nur eine hohe Effizienz und Leistungsfähigkeit aufweisen, sondern sich auch nahtlos in die Gesamtfahrzeugarchitektur integrieren lassen. Durch den Einsatz von simulationsgestütztem Engineering wird die optimale Integration in das Gesamtfahrzeugkonzept sichergestellt.

Entwicklung von Elektromotoren: ZF zeigt die Mobilität der nächsten Generation

Impulse für die Mobilität der Zukunft kommen von Unternehmen wie der ZF Friedrichshafen AG, die sich auf die Entwicklung von Systemen konzentriert, die das „Sehen, Denken und Handeln“ im Fahrzeug ermöglichen. Der Ansatz reicht von der Fahrdynamikregelung über die integrierte Sicherheit und das autonome Fahren bis hin zur Elektromobilität. Um diese Ziele zu erreichen und eine kosteneffiziente Entwicklung für die Großserie zu gewährleisten, wird die Simulation zu einem unerlässlichen Werkzeug.

ZF verfolgt die Strategie, mit Hilfe der Simulation die Entwicklungsprozesse sowohl auf der Produkt- als auch auf der Simulationsseite zu standardisieren. Ein prägnantes Beispiel hierfür ist die Konzeption eines modularen Baukastens. Dieser orientiert sich an den Gemeinsamkeiten verschiedener Elektromotoren. Durch den geschickten Einsatz der Simulation wird ZF der Forderung nach Standardisierung und Aufwandsreduzierung in den verschiedenen Entwicklungsabteilungen gerecht.

Durchgängiger Workflow

In der Entwicklung elektrischer Antriebe spielt Benchmarking eine zentrale Rolle. Es dient der Bewertung konkurrierender Komponenten. Simulationswerkzeuge – wie die Lösungen von Ansys – ermöglichen die Analyse und Modellierung von Schaltungen, um eine detaillierte Simulation der Schaltungsreaktionen zu erhalten. Dieser Ansatz ermöglicht es Unternehmen wie ZF, Produkte nicht nur in einzelnen Bereichen, sondern auch im Hinblick auf Leistung, Effizienz, Kompaktheit und Kosten im Wettbewerbsvergleich zu bewerten. Zur Charakterisierung der elektromagnetischen Komponenten und ihres Einflusses auf die Gesamtkonstruktion ist ein umfassender Simulations-Workflow im Einsatz. Er umfasst die Erstellung vollparametrischer Modelle, die dann an die spezifischen Anforderungen der Komponenten angepasst werden. Um einen Vergleich mit ähnlichen Produkten auf dem Markt zu ermöglichen, werden Tausende verschiedener Designs analysiert.

Entwicklung von Elektromotoren: Fazit und Ausblick

Die Implementierung von Multiphysik-Simulationen auf globaler Ebene unter Verwendung von lokalen Hochleistungs-Workstations und Clustern führt nicht nur zu einer erheblichen Beschleunigung der Entwicklungszeiten, sondern erhöht auch den Reifegrad der Produkte. Dieser innovative Ansatz gibt den Unternehmen die Flexibilität, neue Prinzipien für die Entwicklung bahnbrechender Produkte zu erforschen. Durch die Konzentration auf Benchmarking und den Einsatz von Simulationswerkzeugen während des gesamten Entwicklungsprozesses werden Unternehmen in die Lage versetzt, wettbewerbsfähige, effiziente und innovative Produkte in einer sich rasch wandelnden Industrie zu entwickeln.

Die Zusammenarbeit zwischen Unternehmen wie ZF und Simulationsspezialisten wie Ansys zeigt das Bestreben, die Entwicklung von Elektromotoren im Zeitalter der Elektrifizierung zu optimieren. Der Einsatz von Simulation ermöglicht einen Ansatz, der Energieeffizienz, Standardisierung und wettbewerbsfähige Produktdesigns gewährleistet. Die simulationsgestützte Entwicklung bleibt ein Eckpfeiler, der die Gestaltung der Zukunft des nachhaltigen Verkehrs maßgeblich beeinflusst.