Simulation ist mehr als Software

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Optimierte Produktentwicklung durch gekoppelte Feld- und Systemsimulation
Die Optimierung von mechatronischen Systemen sollte nicht klassisch erfolgen, indem die einzelnen Komponenten isoliert betrachtet werden; vielmehr ist eine Simulation des Systemverhaltens notwendig.

Multiphysiksimulation von mechatronischen Systemen

Branche: Elektrotechnik/ElektronikFachgebiet: Multiphysics, Systemsimulation

Die Forderungen nach Verschleißarmut und geringem Energiebedarf sind bei einem System bestehend aus mehreren Komponenten in verschiedenen physikalischen Domänen nicht auf einen Blick in Designanforderungen übersetzbar. Simulation leistet hier wertvolle Unterstützung.

Zusammenfassung

Aufgabe

Für eine möglichst lange Lebensdauer muss der Verschleiß im System auch bei vielen Millionen Schaltzyklen geringgehalten werden. Zusätzlich ist auf niedrigen Energieverbrauch und effiziente Entwicklung zu achten.

Lösung

Mit Ansys Simplorer ist die Co-Simulation verschiedener physikalischer Domänen ebenso möglich wie die Kopplung mit schnell rechnenden Verhaltensmodellen, die per Modellordnungsreduktion aus Feldsimulationen gewonnen werden. Auf Grund der geringen Simulationszeiten ist es möglich, viele Designvarianten zu berechnen und durch den Einsatz von Ansys optiSLang eine Optimierung vorzunehmen.

Kundennutzen

Durch den Einsatz der Systemsimulation konnte für das untersuchte Relais eine Konfiguration gefunden werden, die bei minimalem Prellen eine sichere Funktionsweise auch unter dem Einfluss von Fertigungstoleranzen gewährleistet. Durch den erheblich reduzierten Energieverbrauch konnte eine erhöhte Lebensdauer erreicht werden.

Projektdetails

Aufgabe

Elektromagnetische Relais sind mechatronische Systeme, die aus elektromagnetischen und mechanischen Komponenten bestehen. Diese Bauteile müssen eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen. Für eine möglichst lange Lebensdauer muss der Verschleiß im System auch bei vielen Millionen Schaltzyklen geringgehalten werden. Zusätzlich ist auf geringen Energieverbrauch zu achten. Der Leistungseintrag in einem Relais mag gering sein, kumuliert über die Vielzahl von eingesetzten Relais sollte der Energieverbrauch jedoch nicht unterschätzt werden. Ein weiteres Ziel ist es, die Entwicklungskosten gering zu halten, beispielsweise durch die Reduzierung von Prototypen und experimentellen Untersuchungen. Die Forderungen nach Verschleißarmut und geringem Energiebedarf sind jedoch bei einem System bestehend aus mehreren Komponenten in verschiedenen physikalischen Domänen nicht auf einen Blick in Designanforderungen übersetzbar.


Nutzen für den Kunden

Durch den Einsatz der Systemsimulation konnte für das untersuchte Relais eine Konfiguration gefunden werden, die bei minimalem Prellen eine sichere Funktionsweise auch unter dem Einfluss von Fertigungstoleranzen gewährleistet (Bild 2). Die im Lichtbogen umgesetzte Leistung – die maßgeblich für den Verschleiß der elektrischen Kontakte sorgt – ist gegenüber der Originalkonfiguration um 60% reduziert, die Antriebsleistung um 20%. Dadurch wird bei reduziertem Energieverbrauch eine erhöhte Lebensdauer erreicht. Außerdem lässt sich die experimentelle Suche nach einer optimalen Systemkonfiguration durch gezielte Simulationen sinnvoll ergänzen oder sogar ersetzen.

 


Lösung

Die Optimierung von solchen Systemen sollte nicht klassisch erfolgen, indem die einzelnen Komponenten isoliert betrachtet werden; vielmehr ist eine Simulation des Systemverhaltens notwendig. Mit Ansys Simplorer ist die Co-Simulation verschiedener physikalischer Domänen ebenso möglich wie die Kopplung mit schnell rechnenden Verhaltensmodellen, die per Modellordnungsreduktion aus Feldsimulationen gewonnen werden. Darüber hinaus lassen sich Reglerstrukturen und Zustandsautomaten implementieren, ebenso wie digitale Elemente und Blockmodelle für elektrische, mechanische, thermische, akustische sowie hydraulische Komponenten. Auf Grund der geringen Simulationszeiten ist es möglich, viele Designvarianten zu berechnen und durch den Einsatz von Ansys optiSLang eine Optimierung vorzunehmen. Die Gewährleistung der Funktion beim Auftreten von Fertigungstoleranzen kann gezielt mit einer Sensitivitätsstudie untersucht werden (Bild 1).

 


Leiter Produktbereich

Produkt-Anwendungen im Projekt