モータ設計をもっと簡単に、電機設計から熱対策・ドライブサイクルまで支援する提案
交通輸送の電動化の動きや、Tesla社のModel 3をはじめとする次世代車両に対する消費者の需要が高まる中で、自動車業界では純粋なバッテリー式電気自動車（EV）の開発と製造が推し進められています。バッテリー式EVパワートレインの開発は、複雑なシステムに関する問題です。最適化されたシステム設計の達成には、数多くの異なる概念やトポロジーの評価が必要となり、システムの相互作用を深く理解していることが要求されます。一般的に、こうした相互作用は特定の専門分野や領域の枠組みを越えて、さまざまなチームによる開発やマルチフィジックス解析を必要とします。各種の設計トポロジーを評価し、システムの重要な相互作用を特定して理解するには、設計ツールやシミュレーションツールが不可欠です。
各ソフトウェアの概要については下記リンクをクリックしてご覧ください。
また興味を持たれた方は詳細について是非ウェビナー動画をご覧ください。
Electromagnetics(電磁界)
Motor-CAD EMagモジュールは、2D過渡的有限要素ベースのアプローチと様々な電子機器のための解析手法を組み合わせて、迅速にそれらの電磁性能を計算します。EMagは、トルク、電力、効率、トルクリップル、損失、電流、鎖交磁束、インダクタンスおよび力を計算するために使用されます。また、銅損失、鉄損失、巻線中の周波数関連損失、磁石やシャフトなどの固体コンポーネントの渦電流損失などの損失を計算できます。Motor-CADのテンプレートベースのエディターを使用すると、形状を簡単に設定し、高度な計算を迅速に行うことができます。Motor-CADは柔軟性が高く、ユーザーはカスタム巻き上げパターンなどの様々なオプションを試したり、DXFから独自の形状をインポートしたりできます。EMagの主要な機能の一部を以下に示します。
広範なパラメータ化されたテンプレートと形状
- 様々なパラメータ化されたテンプレートおよび ジオメトリ を提供
- 様々なモータ特性と性能評価の計算を自動的に設定
- トルク、出力、損失、電圧、電流、インダクタンス、鎖交磁束量、電磁力などの諸特性を計算
- メッシュ生成および境界条件が自動的に設定される過渡応答と静磁場 に対応した２次元有限要素ソルバーを搭載
- 磁石の渦電流誘導モータのロータバーAC巻線損失の計算などの高度な計算機能が可能
- DXFインポートおよびスクリプト可能なジオメトリ、任意電流波形ロータのマルチスライススキュー機能も用意
- ２次元有限要素解析と分析的モデリングのアプローチを組み合わせることで、デザインは入力と計算を数分のうちに実施でき、 ユーザーは設計プロセスの早期段階で複雑な電磁界効果を考慮できるようになります
- 電磁界-熱双方向連携を容易に実現するMotor-CAD Thermとの統合計算
- より詳細な解析へAnsys Maxwellへ連携
Thermal(熱)
Motor-CAD Thermモジュールは、定常状態および非定常動作状態でのモータコンポーネントの温度など、電子機器の熱性能を数秒で計算します。Motor-CADの迅速なシミュレーションは、トラクションモータの駆動サイクルなどの複雑なデューティサイクルやエレベーターの負荷サイクルなどをモデリングする場合に非常に役立ちます。
Motor-CADは、形状、材料、冷却タイプなどのユーザーの入力に基づいて自動的に設定される解析集中パラメータ熱モデリング技術を使用しています。これらの入力から、すべての熱抵抗および静電容量が自動的に計算されます。対流の無次元解析相関など、複雑な熱伝達現象の知識は必要ありません。集中回路技術によって、熱解析が速くなり、what-ifテストがリアルタイムで可能になります。主な熱伝達経路をよく理解することによって、エンジニアは機械の冷却動作を最適化できます。
自動的に設定される熱抵抗ネットワークは3次元で、端部空間の冷却、端部巻線の冷却、空気の流れ対する回転の影響および機械の軸方向の熱伝達の3D解析ができます。
多くの冷却タイプがサポートされています：
- TENV:全閉ハウジング自然対流冷却
- TEFC:全閉ハウジング強制対流冷却
- 通過換気
- TE:全閉内部循環空気
- オープンエンドシールド冷却
- ウォータージャケット
- 浸漬冷却
- スプレー冷却(例.エンドオイルスプレー冷却)
- 直接伝導冷却(例.オイルスロットダクト)
駆動サイクル
Motor-CAD Labモジュールは、全動作範囲において機械の性能を分析します。ユーザーは、効率マップおよび損失マップを迅速に作成し、トルク/速度特性をプロットし、熱的に制約された動作エンベロープ（包絡線）を調査し、駆動サイクル全般の性能を分析できます。
Labモジュールは最初に、電磁界2D有限要素ソルバーを使用してモデルを構築します。様々な電流の大きさ、位相前進角度および周波数の全範囲を通じて、機械の性能を走査し、機械と同等のモデルを構築します。全動作範囲に渡る性能を計算するために、制御戦略で同等のモデルが使用されます。効率マップ、トルク/速度曲線および損失マップなどの出力が迅速に生成されます。ユーザーは、時間/トルク/速度のデューティサイクルを入力するか、または、ビルトイン車両モデルを使用してデューティサイクルを生成できます。Labモジュールは、このサイクル全体の電流、電圧および損失を計算し、詳細な損失対時間プロファイルを出力します。これは、サイクル全体の温度上昇を計算するための熱モデルで解決できます。また、熱的に制限された連続トルク/速度特性も計算できます。最大巻線温度および最大磁石温度制限が入力され、熱モデル、制御モデルおよび損失モデルが一緒に解決されて、速度範囲全体の機械の連続トルク/速度曲線を計算します。
Mechanical(メカニカル)
詳細設計、解析と妥当性検証
モータ設計の詳細設計、詳細分析および妥当性検証のために、Motor-CADモデルをAnsys Maxwell、Ansys IcepakやAnsys Fluentに移行できます。これらのソルバーおよびMotor-CADを組み合わせることによって、高忠実度、2D/3D解析機能が提供され、完全なモータ冷却システムを設計するために必要な終端効果、消磁、コア損失、ヒステリシス、騒音・振動・不快感（NVH：Noise-Vibration-Harshness）およびその他の高度な電磁界現象を解析できます 。Ansys電子機器設計フローにMotor-CADを追加することによって、電子機器設計の完全なエンドツーエンドのワークフローが作成されます。
Ansys optiSLangとは
Ansys optiSLangは複数のプロセス・ツール類を統合することでモデルベース製品開発を最適化し、組織化するソフトウェアです。
これまで多くの組織ではそれぞれ異なる分野の専門家がそれぞれ異なるCAEソリューションを用いて独自のシミュレーション評価を行うことで、データやレポートが散逸してしまったり、データの互換性の確保に時間がかかったりしていました。また大規模なシミュレーションでは一つの評価が終わっても、他の評価が終わらないために総合的な評価のための待ち時間が発生することがありました。
PIDO(Process Integration and Design Optimization:プロセス統合・設計最適化)ツールと呼ばれるAnsys optiSLangは、ベンダーを選ばずAnsys製品以外を含む50以上のCAEツール・ソルバーと接続が可能で、ファイル交換を自動で行うなど、複数の設計プロセスを統合・自動化することが可能です。これにより人的工数を削減することができ、さらにROM(縮退化モデリング)により大規模計算にかかる時間を短縮することが可能です。
Ansys optiSLangの4つのメリット
- シミュレーションのワークフローを組織化・自動化
- 製品設計案の探索と機能とコストの最適化
- 製品のロバストネス評価が可能
- 自動化されたソリューションをパッケージ化してウェブアプリなどで非専門家でも利用可能に
実証されている導入の効果
- 同じチームでより短時間に完了できたプロジェクトの数:6倍(ダイムラー社例)
- シミュレーションの非専門家によるウェブアプリの利用と他の自動化により削減できた時間:45%(ボッシュ社例)
- 設計コストの低減:27%(トルンプ社例)
EV用モータ開発におけるoptiSLangの活用
EV用モータ開発においては、配置スペースや熱、重量やコストなど多くの制約条件に伴って従来よりもパラメータが劇的に増加しており、通常のパラメータスタディを行うと膨大な計算時間が発生してしまう恐れがあります。optiSLangはそうした制約条件を考慮した適切な設計値を短時間で探索するためのモータ最適化設計ワークフローを提供できます。
Motor-CADとoptiSLangの連成による効率的なモータ設計
- デザインのトレードオフに関する包括的な情報を提供
- モータの全速度範囲にわたる高速、効果的、かつ高精度な最適化
- 仕様変更が設計パラメータに与える影響を迅速に調査
- 電磁界、熱、構造の包括的なモデリングおよび解析
・・・といった、HEV/EVのモータの多目的最適化に極めて強力なツールを提供します。
さらに詳しい内容は、ぜひウェビナーでご確認ください。