Carga Mediante Desarrollo de Motores Eléctricos con Simulación

En el cambio hacia la electrificación, los consumidores son claramente conscientes de los desafíos que conlleva esta tecnología relativamente nueva y emergente, incluida la autonomía y la infraestructura de carga necesaria para soportar los viajes de larga distancia. Las baterías son un elemento clave en la rápida adopción de la movilidad eléctrica, ya que impactan directamente hasta dónde pueden llegar los vehículos eléctricos (EV) con una sola carga. Sin embargo, los vehículos eléctricos (y los vehículos eléctricos híbridos, en realidad) están impulsados ​​no por una, sino por tres tecnologías automotrices importantes: motores eléctricos, baterías y sistemas de control de vehículos.

Los motores eléctricos desempeñan un papel importante, ya que utilizan fuerzas electromagnéticas para convertir la electricidad de la batería en energía mecánica que pone el vehículo en movimiento. Sin embargo, no toda la energía recolectada durante la carga se captura y utiliza durante esta conversión . Parte se pierde debido al calor o la fricción. Por lo tanto, para los fabricantes de equipos originales (OEM), el objetivo en cualquier diseño de motor eléctrico es lograr la máxima eficiencia energética para garantizar que el motor eléctrico utilice la mayor parte de la energía de la batería para ampliar la autonomía del vehículo. Para hacer esto se requiere una comprensión de la física detrás de un diseño determinado, posible gracias a la ingeniería basada en simulación.  

El Dr. Helmut Schmid sabe mucho sobre motores eléctricos. Trabaja en el Departamento de Desarrollo Avanzado de ZF Friedrichshafen AG, una empresa tecnológica global y proveedora de sistemas de accionamientos eléctricos para vehículos comerciales y de pasajeros. La atención del Dr. Schmid está en la simulación, específicamente en cómo mejorar los marcos de trabajo y los flujos de trabajo de simulación habilitados por Ansys para ofrecer soluciones sostenibles a las personas involucradas en el desarrollo central de la tecnología de motores eléctricos de ZF.

“ZF está automatizando el desarrollo de todas las características de los motores eléctricos relacionadas con los dominios electromagnético, térmico y mecánico”, afirma el Dr. Schmid. “Nuestro objetivo es ofrecer continuamente soluciones de software y proporcionar métodos y herramientas novedosos que puedan ser utilizados por nuestras partes interesadas durante todo el proceso de desarrollo”.

Por el momento, ZF está permitiendo la próxima generación de movilidad mediante el desarrollo de sistemas y componentes que, según afirma, pueden “ver, pensar y actuar” a través de hardware, software y tecnología de sensores. Ofrece una solución integral que se extiende al control de movimiento de vehículos, seguridad integrada, conducción autónoma y movilidad eléctrica para ayudar a avanzar en un transporte más sostenible.

Con este fin, la simulación de Ansys ayuda a ZF a desarrollar motores eléctricos y productos relacionados para un gran volumen a un costo asequible, al mismo tiempo que ofrece la funcionalidad más simple necesaria para abordar mejor los requisitos de los OEM. Mediante la simulación, el equipo del Dr. Schmid puede estandarizar el desarrollo en el lado del producto, así como en el lado de la simulación para encontrar mayores eficiencias.

“Desarrollamos un kit modular para nuestros motores eléctricos, centrándonos específicamente en la similitud de piezas que se pueden compartir entre diferentes motores eléctricos”, dice el Dr. Schmid. “Con la simulación, podríamos abordar los requisitos para lograr la estandarización en toda nuestra oferta de productos. También hemos estandarizado nuestros procesos de simulación para reducir con éxito los esfuerzos en todos los departamentos de desarrollo”.

La evaluación comparativa de componentes competitivos es una gran parte del flujo de trabajo de diseño de ZF: actividad realizada de manera eficiente mediante la simulación de Ansys. Esta actividad no sólo se aplica a los motores eléctricos, sino que se extiende a otros aspectos de un sistema de propulsión eléctrico, incluidos los inversores. Los inversores son dispositivos electrónicos fundamentales para la conversión de electricidad de CC a CA necesaria para alimentar el motor.

En un caso, el equipo de inversores de ZF recurrió a Ansys Q3D Extractor para la extracción parásita (PEX), o el cálculo de los efectos parásitos o las características dependientes de la frecuencia de sus diseños. La extracción parásita es una parte importante de la automatización del diseño electrónico, ya que ayuda al equipo a crear un modelo preciso del circuito para permitir simulaciones detalladas de la respuesta del circuito. 

Luego, el modelo pasa por Ansys Maxwell para caracterizar con precisión el movimiento de los componentes electromagnéticos y sus efectos en el diseño general. A partir de ahí, se puede realizar un modelo completamente paramétrico (estadístico), que luego se puede trabajar en Ansys Twin Builder a través de Ansys Electronics Desktop conectado a una simulación electromagnética. A esta actividad le sigue una simulación transitoria para extraer los resultados necesarios para parametrizar aún más la configuración de Twin Builder como parte de un modelo más grande, que se puede optimizar para cumplir con los requisitos de los componentes necesarios.

En última instancia, este flujo de trabajo se utilizará para calcular no uno, sino miles de diseños diferentes para encontrar un concepto muy específico que luego pueda compararse con un producto competitivo similar en el mercado en función de factores que incluyen rendimiento, eficiencia, compacidad y costo. También permite a ZF ofrecer diseños de motores eléctricos competitivos pero simples que están estandarizados en toda su cartera, lo que brinda a la empresa una ventaja decisiva en la capacidad de brindar energía mecánica conveniente a estas aplicaciones.

Las simulaciones de motores eléctricos ZF se ejecutan en estaciones de trabajo locales de alto rendimiento o en clústeres ZF disponibles en todo el mundo. Las simulaciones se distribuyen al clúster a través de una interfaz de programación de aplicaciones (API), que permite una computación rápida de alto rendimiento (HPC).

Lograr tiempos de desarrollo más cortos, además de un mayor grado de madurez en el lado del producto lo más rápido posible, son razones importantes para el gran impulso de ZF por el uso de la simulación multifísica en todos sus programas. Pero eso no es todo: la simulación también facilita el enfoque de desarrollo de “lienzo en blanco” de ZF, lo que permite al equipo de I+D jugar libremente en el espacio en blanco para descubrir un principio completamente nuevo reflejado en un nuevo producto en torno a una aplicación seria para sus clientes.

“Para transmitir energía eléctrica a un rotor de una máquina síncrona excitada eléctricamente sin escobillas, desarrollamos una unidad de transformador inductivo giratorio”, dice Robin Michelberger, ingeniero de simulación también en el Departamento de Desarrollo Avanzado de ZF responsable del diseño eléctrico. “Utilizamos el ecosistema de simulación Ansys para simular múltiples físicas y dominios. Estas simulaciones también se utilizaron para evaluar rápidamente miles de variantes de diseño. En última instancia, esto nos ayudó a construir un prototipo de hardware que supera el punto de referencia actual en términos de densidad de potencia y aún logra una eficiencia de más del 95 % a nivel del sistema”.

Nuestro trabajo con ZF es sólo un ejemplo de cómo nuestros clientes del sector del automóvil están optimizando motores eléctricos mediante simulación. Asegúrese de visitar nuestra página web dedicada a promover el desarrollo de motores eléctricos para automóviles.

Autor
Christopher Sander
Gerente Regional de Ventas, Ansys

“La simulación se encuentra entre los elementos centrales de la transformación digital necesarios para revolucionar el desarrollo de nuestros productos. Las soluciones de Ansys dan sus frutos en ciclos de desarrollo más cortos y menos creación de prototipos, puntos clave en la digitalización de nuestros procesos de I+D que nos ayudan a llevar nuestras soluciones de movilidad en nuevas direcciones”.

—   Dr. Helmut Schmid, director del departamento de desarrollo avanzado de ZF Friedrichshafen AG