ユーザー事例集

シミュレーションアプリケーションが電気自動車モーターの開発を合理化

フォルクスワーゲン・カッセルは, ローターラミネーションの強度を評価するシミュレーションアプリケーションを構築および配布することにより, 電気モーターの設計プロセスを加速します.

Thomas Forrister著
2019年12月

より多くの消費者が環境への関心を示すにつれて, 電気自動車は選択された輸送モードとしての従来の内燃機関自動車を追い越そうとしています. この高まる需要に応えて, 大手自動車メーカーはEVへの道を開くために自らの役割を果たしており, 燃焼エンジンのメーカーと並んで電気モーターおよびハイブリッドモーターの開発を活性化しています. そのような自動車メーカーの1つはフォルクスワーゲンです.ドイツのカッセル工場は電気駆動装置の開発, 計画, 生産を専門としています. 1日あたりの電気出力は150, ハイブリッドドライブは300です.

電気駆動装置の重要な部品として, ローターは, 駆動動作中にさまざまな速度とトルクで非常に多数の回転に耐えなければならないため, 耐久性をテストする必要があります. ただし, ローターラミネーションの強度の評価には時間がかかります. VW カッセルは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用してシミュレーションアプリケーションを構築することにより, ローターのこのテストプロセスを自動化し, 開発コストの削減と製品品質の向上を図っています.

電磁的要件と機械的要件のバランス

2015年, フォルクスワーゲンは, EV設計を最適化し, 製造プロセスをより効率的にするモジュール式システムの開発を開始しました. これは, モジュール式電化ツールキット(MEB)と呼ばれます. MEBは, メインの後輪駆動のトルク, パワー, 速度, および全輪駆動バージョンで使用されるオプションの前輪駆動を扱います(図1). 車軸, ドライブユニット, 重量, ホイールベースの比率など, 他の要件の中でも, 高電圧ドライブバッテリーの設計と配置は, MEBの全体的なコンセプトで重要な役割を果たします. MEBは個々の部品とシステム全体の最適化に役立ちますが, 特にデジタル化, 自動運転, 電気駆動などの新しいテクノロジーを考慮する場合, これらの要件のバランスをとるには設計者の側で慎重に考慮します.

MEBの回路図, オプションの全輪駆動(左, 車両の前部)とメインドライブ(右, 車両の後部).

電気駆動装置の開発プロセスの最初から, VWカッセルの設計, シミュレーション, およびテストに関与するスタッフは密接に協力してきました. まず, シミュレーションの専門家が電気駆動装置の性能仕様を確認し, シミュレーションを使用して, 設計への最適なアプローチ方法を調査します. 例えば, ドライブをモデル化するとバリアントの数が大幅に減少し, このモデルに基づいてシミュレーションアプリケーションを配布すると, 設計者はさまざまなバリアントのベンチマークを行い, 最適なバリアントを選択できます.

シミュレーションは現実の問題のすべてをカバーすることはできないため, このコラボレーションは誰にとっても重要で有益です. したがって, テストプロセスは開発プロセスで重要な役割を果たします. さらに, 実験的なテスト手順は, シミュレーションモデルの改善に役立ちます.

「電気機械の開発プロセスでは, 多くの要件を満たす必要があります」と, VW カッセルの部品開発のシミュレーションエンジニアであるSteffen Rothe博士は説明します. 「一方で, 機械はトルクとパワーの電気的要件に適合しなければなりません. 一方, ローターには一定の耐久性が必要であり, 遠心力がローターの主要な負荷となります.」

さらに, 2つの要件のバランスをとることは困難な場合があります. 例えば, 電磁気要件には薄いウェブのような構造を使用する方が良いですが, 機械的耐久性には厚い構造が望ましいです. これらの要件は, 開発プロセスの早い段階で対処することが重要です. これを効率的に行う1つの方法は, 要件をカバーするすべての荷重ケースをシミュレーションすることです. Rothe氏は, 「シミュレーションは設計プロセスの加速に大きな役割を果たす」と述べています.

「多くの産業用シミュレーションプログラムはブラックボックスとして設計されていますが, COMSOL Multiphysics® はその透明性が独特です. ユーザーが実装された方程式を表示および変更したり, 独自の方程式を追加したりできるようにします」とRothe氏は言います. さらに, このソフトウェアは最初からマルチフィジックスツールとして設計されており, ユーザーが異なる物理フィールドを同時にシミュレーションできるようにします. したがって, ユーザーは異なる物理フィールドを組み合わせて, 全く新しい何かを行うことができます.

ただし, シミュレーションの専門家であっても, このような複雑な物理的問題の分析は困難な場合があります. チームには, 同僚とコミュニケーションをとり, 機械シミュレーションの専門家でない人が特定のパラメーターをテストできるようにする方法が必要でした. 設計者は, COMSOL Multiphysics® の組み込みツールである「アプリケーションビルダー」を使用してこれらのニーズを満たすことができ, ローターの応力を予測するシミュレーションアプリケーションを作成しました.

専用アプリケーションでEV生産を改善

同僚がローターラミネーションの強度と耐久性を評価するためのアプリケーションを設計するために, シミュレーションの専門家であるMarie HermannsとSteffen Rotheは, モデルのどの部分を自動化できるか, どのモデルパラメーターが可変で, アプリケーションがどの結果を表示するかを検討しました.

ロータープレート, シャフト, マグネットを備えた典型的なローターの設定.

典型的なローター設定(図2)の場合, シミュレーションの専門家は, 負荷テストを自動化して干渉, 温度, 動作速度を含めることができると結論付けました. これらは, 他の部門の同僚が自分で変更できると得するパラメータです. 一般的な可変パラメーターには, ジオメトリ, 面積, 干渉, 接触, アクティブな磁石の数, および材料が含まれます. これらの考慮事項は, Hermanns氏が, 同僚が必要な計算を自動化するために使用できるアプリケーション(図3)の直感的なユーザーインターフェースを作成するのに役立ちました.

シミュレーションアプリケーションのユーザーインターフェイスの例.

「私たちの考えは, 同僚向けのアプリケーションを作成して, 様々なデザインのベンチ マークを簡単かつ迅速に行えるようにすることでした」とHermanns氏は言います. 「さらに, 直感的なユーザーインターフェースを使用して, 特定の問題に対応するツールを作成することもできます. この場合, ユーザーはシミュレーションの動作の詳細を知る必要はありません.」

会社と顧客のニーズに応えるための開発の標準化

VWカッセルの部門間の開発プロセスの自動化に加えて, 専門のシミュレーションアプリケーションは, エンジニアがローターラミネーションのベンチマークプロセスを標準化するのに役立ちます. このアプリケーションは, 境界条件, 材料, 荷重の適用などの一般的なタスクを実行するのにかかる時間を短縮し, 標準化されてユーザーインターフェースに統合されています. もう1つの利点は, 自ー動生成されたレポートです.これには, 積層ローターシートセクションの強度評価が含まれ, チーム全体でレポートの要約を標準化するのに役立ちます(図4).

ローターの標準化された応力結果.

VWカッセルのエンジニアは, シミュレーションアプリケーションを使用したローターラミネーションの応力解析を通じて, 電気駆動装置の開発プロセスの時間と費用を節約できます. これらのアプリケーションは, シミュレーションの専門家と専門家以外のユーザーが長いモデル構築プロセスを自動化し, モデルと結果を標準化し, モデルからコンセプトビークルから市販のEVに至るプロセスを迅速化することで, 製品品質の向上にも貢献します.

左: Marie Hermanns (シミュレーションエンジニア). 右: Steffen Rothe (シミュレーションエンジニア).