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Simulation bei der Elektromotoren-Entwicklung

Cluster-Computing mit ausgemusterten PC-Systemen

Der Simulationsaufwand einer Design-Iteration bei der Entwicklung von Elektromotoren kann auf einfachen PC-Systemen leicht über 700 Stunden dauern. Der Automobil-konzern General Motors hat daher 16 ausgemusterte Desktop-PCs miteinander gekoppelt und so die Berechnungsgeschwindigkeit auf weniger als fünf Stunden reduziert. So ließen sich sowohl Time-to-Market-Zyklen verbessern als auch gleichzeitig die Qualität der Motoren verbessern.

Das in Ansys Maxwell berechnete Drehmoment-Profil liefert Entwicklern von Elektromotoren Informationen etwa zur mechanischen Belastung, Deformationen sowie Vibrationen. Bild: Ansys

Derzeit verfügt die Automobilindustrie noch über wenig Erfahrung mit der Optimierung des Designs von Motoren für Fahrzeuge mit Elektro- oder Hybridantrieb (EV/HEV). Daher müssen zur Optimierung der in Elektro- und Hybridfahrzeugen eingebauten speziellen Elektromotoren häufig Tausende oder gar Hunderttausende von Design-Iterationen ausgewertet werden. Hierbei spielt die elektromagnetische Simulation eine Schlüsselrolle. Bei dem US-amerikanische Automobilhersteller General Motors kommt für diese Aufgabe die Maxwell-Software von Ansys zum Einsatz: Die Lösung simuliert elektromagnetischer Felder, um das Drehmomentprofil des Motors zu berechnen, also das zeitliche Verhalten des Drehmomentes im Motorbetrieb und den erforderlichen elektrischen Widerstand zum Verlangsamen des Fahrzeugs im generatorischen Bremsbetrieb. Neben der Software setzt der Autohersteller die Produkte HFSS und Q3D Extractor des gleichen Anbieters ein, um mögliche elektromagnetisch bedingte Kompatibilitätsprobleme zu lösen.

Anhand der Simulationsergebnisse werden die Design-Basisparameter angepasst, um das bestmögliche Verhältnis zwischen der Motorleistung einerseits und Größe, Gewicht und Kosten des Motors sowie seinem Zusammenwirken mit anderen Systemen andererseits zu erzielen. Anfänglich führten die Entwickler die elektromagnetische Simulation des Antriebsmotors auf einem leistungsfähigen Single Core Desktop-Computer durch, der für jede Design-Iteration etwa 72 Stunden benötigte. Mit zunehmender Analysekomplexität stieg dieser Wert auf rund 720 Stunden und stellte die windowsbasierte IT-Infrastruktur des Unternehmens durch die entstehenden Wartezeiten auf eine harte Probe. Um die wichtigen Ergebnisse schneller verfügbar zu machen, experimentierten die Entwickler mit der Verwendung der Ansys Distributed Solve Option (DSO), um die parametrischen Analysen mit allen drei Simulationslösungen auf mehrere Rechner zu verteilen und damit die Extraktion, Charakterisierung und Optimierung des elektromagnetischen Modells zu beschleunigen. Ein Computer mit acht Kernen, großer Plattenkapazität und ausreichend Arbeitsspeicher erhöhte die Lösungsgeschwindigkeit um den Faktor 3,5. Das stellte zwar eine erhebliche Verbesserung dar, entsprach aber noch nicht dem angestrebten Ziel.

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