Simulation: Renault reduziert Versuche bei Motorenentwicklung

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Um mit Erfolg auf dem wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge zu bestehen, wird bei Renault ein neuer Motor entwickelt. Die Entwicklerteams durften ohne die üblichen Einschränkungen auf Konstruktionen und Prozesse, mit denen sich Fahrvergnügen und die Anforderungen einer Massenproduktion nur schlecht vereinbaren lassen, ganz von vorn anfangen, mussten jedoch die Standardvorgaben für Termine, Budgets und Qualität einhalten.
 
Eine Gruppe unter der Leitung von Patrick Orval war für die strukturelle Analyse des Rotors und seiner Wicklung verantwortlich. Sie setzten bereits früh Maple ein und erstellten damit Näherungen erster Ordnung des Rotors. So erhielten sie ein Gefühl dafür, wie sich die Komponenten mit verschiedenen Parametern und unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen verhalten würden, und konnten die Hauptabmessungen präzise eingrenzen.

Nach der Analyse dieser ersten Ergebnisse wurde außerdem klar, welche Aspekte mit höherer Auflösung untersucht werden mussten. Davon ausgehend entwickelten sie die entsprechenden mathematischen Modelle in Maple auf der Grundlage der physikalischen Gleichungen. „Als Einsteiger habe ich Maple sehr benutzerfreundlich und intuitiv gefunden“, bemerkte Patrick Orval. „Begonnen haben wir mit mathematisch einfachen Modellen und konnten so Ergebnisse erreichen, die den Zielen des Projekts entsprachen. Dank des guten Supports im Produkt selbst und online sowie der vielen Ressourcen konnten wir rasch Vertrauen aufbauen und in kurzer Zeit detailliertere Modelle erstellen.“

Ein besonders komplexes Problem, das mit Maple gelöst werden konnte, war der Nutkeil, der die Rotorwicklung fixiert und für die Zuverlässigkeit bei hohen Belastungen und im Langzeitbetrieb sorgt. Anhand eines Modells der Verformung des Ankers unter Einwirkung der Zentrifugalkraft und thermischer Einflüsse bestimmten sie ausgehend von der Biegefestigkeit eine erste einfache Regel. Mit Hilfe von Daten der Mitbewerber wählten sie das geeignete Material und die Dicke für den Anker aus.

Mit Hilfe dieses einfachen Modells wurde eine Möglichkeit entdeckt, die Masse des Rotors zu verringern (je leichter desto besser, wegen der höheren Reichweite mit einer Batterieladung). Sie erdachten eine Lösung mit zwei Dicken, die in Maple ‚mathematisch verbunden‘ wurden, um eine erste Näherung eines neuen Nutkeils zu erstellen. Dies erfolgte in einer parametrierten analytischen Weise, sodass sie leicht einen gültigen Satz von Abmessungen für diese neue Form des Keils bestimmen konnten. Anschließend untersuchten Sie die Bibliothek der Konzentrationsfaktoren, um die Belastung an den Punkten zu begrenzen, an denen sich die Dicke des Keils ändert. Die vollständige Konstruktion wurde anschließend einer Finite-Elemente-Analyse (FEA) unterzogen.

Diese Arbeit erlaubte es dem Team nicht nur, die Rotormasse zu reduzieren, sondern führte auch zur erfolgreichen Anmeldung eines Patents. Patrick Orval erklärte zu diesem Ergebnis: „Maple hat entscheidend dazu beigetragen, den Rotor des Elektroantriebs der dritten Generation zu entwickeln. Dank seiner Vielseitigkeit konnten wir Modelle erstellen, die für unsere Anforderungen perfekt geeignet sind, und bereits früh im Entwicklungsprozess herausragende Ergebnisse erreichen. Außerdem hat die Arbeit mit Maple wesentlich dabei geholfen, unsere Entwicklungskosten zu reduzieren, indem wir Dritttechnologien, zum Beispiel die FEA, einbeziehen konnten.“

Nach der Entwicklung des Nutkeils untersuchte das Team die resultierenden internen Belastungen der Wicklung im System. Neben anderen Faktoren werden die internen Belastungen durch die Steifigkeit des Drahts und die Reibung zwischen dem Nutkeil und dem Blechpaket des Ankers beeinflusst, wobei beide Parameter völlig unbekannt waren und nur schwer zu bestimmen sind. Früher hätten sie hierzu ein Finite-Elemente-Modell eingesetzt. Dieser Lösungsansatz hätte jedoch eine hohe Anzahl von Versuchen erfordert und Schwierigkeiten bei der nummerischen Konvergenz mit sich gebracht. Durch den Einsatz von Maple konnte das Team nicht-lineare Faktoren, zum Beispiel die Reibung zwischen Keil und Anker oder das örtliche Abheben der Wicklung vom Anker bei hohen Drehzahlen modellieren. Sie erwarten gute physikalische Ergebnisse, da der Satz gewöhnlicher Differentialgleichungen und die Bedingungen für die Verformung des Ankers vollständig gekoppelt waren.

Die beiden Unbekannten (Steifigkeit des Drahts und Reibungskoeffizient) wurden durch Vergleich mit Belastungsmessungen bestimmt und dienten schließlich als erste realistische Daten in einer FEA des Rotors.
Diese Phase des Projekts fasste Orval wie folgt zusammen: „Maple hat die Notwendigkeit experimentellen Vorgehens erheblich reduziert. Sowohl die Entwicklungszeit als auch die Zuverlässigkeit des Rotors entsprechen den Erwartungen an das Projekt. Diese Kombination hätten wir ohne Maple nicht erreichen können.“ Patrick Orval und seine Kollegen arbeiten mittlerweile an den weiteren Phasen des Projekts und wollen Maple auch dabei einsetzen, ihre Entwicklungsoptionen zu analysieren und zu überprüfen und so ein besseres Endprodukt zu schaffen.
 

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