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Leistungselektronik

Freitag, 18. Juni 2021 | 13:00 – 16:15

CADFEM Elektromagnetik Technologietage 2021

Wie baue ich einen Workflow zur Simulation eines Elektromotors?

Elektrischen Antrieben gehört die Zukunft. Auch – aber nicht nur im Hinblick auf Elektromobilität. Motorenentwickler stehen vor der Herausforderung, energieeffiziente, leichte und gleichzeitig robuste Produkte zu erzeugen, die weitere Randbedingungen erfüllen müssen. In den nächsten Monaten werden wir mit 4 Technologietagen die Bereiche „Multiphysikalische Simulation“, „Elektromagnetik Best Practice“, „Leistungselektronik“ sowie „ROMs und Systemintegration“ entdecken.

Leistungselektronik

An diesem Technologietag stehen die hochfrequente Elektromagnetik, Temperaturfeldberechnung und Zuverlässigkeitsuntersuchungen im Vordergrund.

Aktuell befinden wir uns im Umschwung der Automobilbranche: die Elektromobilität wird breitentauglich. Aber auch in anderen Branchen sind geregelte Motoren von zentraler Bedeutung. Wer einen Elektromotor entwickelt, muss die Leistungselektronik im Blick haben, denn an das Gesamtsystem werden immer höhere Anforderungen. So steigen mit höherer Drehzahl auch die Schaltfrequenz und Datenrate, der Bauraum wird immer kleiner und das alle Komponenten müssen in Summe effizienter und kostengünstiger werden.

Agenda

Freitag, 18. Juni 2021 | 13:00 – 16:15

Die Vorträge werden in der Sprache der Vortragstitel gehalten.

13:00 – 13:15Eröffnung
13:15 – 13:55Vergleich zwischen hardware- und simulationsbasiertem Entwicklungsprozess am Beispiel eines WBG-Leistungsmoduls
Holger Gerstner (Fraunhofer Institute for Integrated System and Device Technology IISB)
13:55 – 14:35 Zuverlässige Elektronikbaugruppen entwickeln - Design for Reliablity
Frank Weiand (CADFEM GmbH)
14:35 – 14:50Pause
14:50 – 15:30Neue Möglichkeiten in Maxwell zur Simulation von Leistungselektronik
Rene Fuger (CADFEM Austria GmbH)
15:30 – 16:10"Wie bleiben Sie cool?" Kühlkonzepte mit Ansys Discovery entwerfen und überprüfen
Lucas Ziegler (CADFEM GmbH)
16:10 – 16:15Ausklang
Abstract/Vita | Holger Gerstner (IISB) | Vergleich zwischen hardware- und simulationsbasiertem Entwicklungsprozess am Beispiel eines WBG-Leistungsmoduls
Abstract

Die Verwendung von Halbleiterbauelementen mit weiter Bandlücke (WBG) in Antriebsumrichtern bietet deutliche Effizienzvorteile im Vergleich zu herkömmlichen siliziumbasierten Leistungshalbleiterschaltern. Die reduzierten Interelektrodenkapazitätswerte als eine Komponente für verringerte Verluste in hartschaltenden Anwendungen haben jedoch in der Ansteuerung der WBG-Leistungshalbleiter nur teilweise Vorteile. So muss die Einhaltung des Spannungsratings am Gate im gesamten Betriebsbereich auch für niedrigere Gate-Kapazitäten sichergestellt werden. Darüber hinaus begünstigen niedrige Schwellenspannungswerte bei den derzeit kommerziell erhältlichen WBG-Schaltern zusätzlich Fehlfunktionen wie beispielsweise parasitäres Einschalten. Maßgeblich für das Gesamtsystemverhalten sind neben dem Funktionsumfang und den elektrischen Eigenschaften des Treiber-ICs vor allem die parasitären Eigenschaften der Zuleitungen sowie der passiven Bauelemente im Leistungs- und Ansteuerpfad der Schaltzelle. Bei einem herkömmlichen hardwarebasierten Entwurfsprozess wird diese Wechselwirkung zwischen Leistungshalbleiterschalter und der Eigenschaften der elektrischen Umgebung jedoch erst nach einem ersten Hardware-Aufbau der Schaltzelle offensichtlich.

Der Vortrag zeigt wie mit Hilfe der Schaltungssimulation vor einem ersten Hardwareaufbau das Schaltverhalten evaluiert werden kann. Dadurch wird sowohl der Entwicklungsprozess unterstützt als auch die Inbetriebnahme erleichtert und beschleunigt. Ein Schwerpunkt liegt in dem Vergleich und der Bewertung der beiden Entwicklungsmethoden (hardwarebasiert, simulativ) sowie in der Gegenüberstellung und Diskussion der Mess- und Simulationsergebnisse.

Vita

Holger Gerstner (M.Sc.) studierte von 2009 bis 2015 Mechatronik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Seit 2015 arbeitet er am Fraunhofer IISB in Erlangen an der Entwicklung und Charakterisierung sowie der Modellbildung leistungselektronischer Komponenten. Der Schwerpunkt seiner Arbeit liegt im simulationsunterstützten Designentwurf von Schaltzellen, insbesondere bei der Verwendung von WBG-Leistungshalbleiterschaltern.

Abstract/Vita | Frank Weiand (CADFEM GmbH) | Zuverlässige Elektronikbaugruppen entwickeln - Design for Reliablity
Abstract

Die Entwicklung von leistungselektronischen Komponenten stellt heute eine Herausforderung für die beteiligten Ingenieure dar. Auf elektrischer Seite müssen die Versorgungs- und Signal-Integrität sichergestellt werden. Ebenso muss die elektromagnetische Verträglichkeit berücksichtigt werden. Da in der Leistungselektronik hohe Ströme fließen, spielt zusammen mit der zunehmenden Miniaturisierung der Komponenten die Erwärmung eine große Rolle. So müssen schon in der Konzeptphase Kühlungsstrategien entwickelt werden, um die thermische Zuverlässigkeit sicherzustellen. Ein weiterer Punkt ist die mechanische Zuverlässigkeit. Es muss gewährleistet werden, dass aufgrund von thermischen Dehnungen oder äußeren Einflüssen wie Vibration keine Beschädigungen im Aufbau der Baugruppe, beispielsweise durch ein Versagen von Lötstellen, entstehen.  Es ist also ein Wechselspiel der physikalischen Disziplinen Elektromagnetik, Temperaturfeld und Mechanik. 

In diesem Vortrag wird gezeigt, wie mittels numerischer Simulation diese Effekte schon früh im Produktentwicklungsprozeß untersucht werden können, deren Wechselwirkungen berücksichtigt und die Komponente optimiert werden kann. Ebenso wird gezeigt, wie mit den Ergebnissen der Simulation die Ausfallwahrscheinlichkeit über einen vorgegebenen Zeitraum berechnet werden kann.

Vita

Frank Weiand beschäftigt sich seit seinem Studium der Elektrotechnik mit der numerischen 
Simulation. Neben Anwendungen aus der Elektromagnetik und Elektronik befasst er sich auch mit thermischen und gekoppelten Aufgabenstellungen. Er arbeitet seit 2019 bei CADFEM im Elektronikteam.

Abstract/Vita | Rene Fuger (CADFEM Austria GmbH) | Neue Möglichkeiten in Maxwell zur Simulation von Leistungselektronik
Abstract

Was sind die Herausforderungen bei der Auslegung von Komponenten in der Leistungselektronik? Die Antwort darauf ist in den meisten Fällen die Verluste und die daraus folgenden Temperaturen. Der Transport von Strom führt zu Verlusten und dieser ist nicht nur von den Strömen und Spannungen abhängig sondern auch von Geometrie, Frequenzen, Temperaturen und Materialeigenschaften. Daraus folgt das die Verluste lokal sehr stark variieren können und zu lokalen Temperaturspitzen führen können. In diesem Vortrag möchten wir ihnen neue Möglichkeiten mit Ansys Maxwell zur Berechnung der lokalen Verluste von Sammelschiene, Umrichter Platinen und anderen Leistungselektronik Komponenten vorstellen.

Vita

Herr Fuger ist Experte im Bereich elektromagnetischer, thermischer und System Simulation. Er studierte und promovierte an der Technischen Universität Wien im Bereich Angewandte Physik. Es folgte ein Forschungsaufenthalte in Japan und ein Anstellung bei Guina Energy Pty Ltd in Australien, wo er sich unter anderem mit der Entwicklung von elektrischen Maschinen beschäftigte. Herr Fuger ist seit 2016 Teil des CADFEM-Technikteams und in verschiedenen Geschäftsbereichen tätig, z. B. Beratung, Schulung und Business Development.

Abstract/Vita | Lucas Ziegler (CADFEM GmbH) | Wie bleiben Sie cool? Kühlkonzepte mit Ansys Discovery entwerfen und überprüfen
Abstract

Neben den etablierten Ansys Experten sollen im Idealfall auch Entwickler und Konstrukteure von den Vorteilen der Simulation profitieren um insgesamt zu den unternehmerischen Zielen beizutragen. Ansys Discovery ist nicht nur eine logische Erweiterung der Ansys Expertenwelt, sondern verkörpert essentielle Eigenschaften um Entwicklungsingenieure nicht nur zu befähigen, sondern auch zu begeistern. In diesem Vortrag geht es im Speziellen um die Designfindung von Komponenten im Themenbereich Kühlung. Beleuchtet werden sowohl einfache schnelle Abschätzungen als auch hochgenaue Analysen inklusive Wechselwirkung von Fluid- und Struktur-Bauteilen.

Vita

Lucas Ziegler studierte bis 2016 Bauingenieurwesen und spezialisierte sich mit dem "Master Applied Computational Mechanics" im Bereich numerischer Simulation. Seit 2016 ist er bei CADFEM Berechnungsingenieur und hat sich im Bereich CFD vertieft. Neben Tätigkeiten in den Bereichen Support, Seminare und Consulting Dienstleistungen ist er darüber hinaus Produktverantwortlicher für Ansys Discovery.

Frequently Asked Questions

Wo kann ich mich zu den anderen Technologietagen anmelden?

Hier die Links zur Info und Anmeldung füre alle vier Technologietage: Gekoppelte Simulation, Elektromagnetik Best Practice, Leistungselektronik sowie ROMs und Systemintegration.

Habe ich die Möglichkeit Fragen an die Vortragenden zu stellen?

Ja, Sie können während den Vorträgen Fragen im Chat oder Q&A Bereich stellen.
In den 40-minütigen Slots sind 30 Minuten Vortrag / Live-Demo und 10 Minuten Fragerunde eingeplant.

Haben Sie weiter Fragen? Dann kontaktieren Sie bitte:

Philipp Siehr
psiehr@cadfem.de
+49 (0)8092-7005-129

Anmeldung

Bitte klicken Sie hier und füllen Sie das Anmeldeformular aus. Die Veranstaltung ist kostenfrei.