Hohe Leis­tungs­dichte, geringe Verluste und ein sehr dyna­mi­sches Verhalten: Das waren die Anfor­de­rungen, die ein Kunde aus der Auto­mo­bil­in­dus­trie für sein Pumpen­system zur Abgas­nach­be­hand­lung an den elek­tro­nisch kommu­tierten Außen­läu­fer­motor stellte. „Unser Stan­dard­motor war dafür nicht ausge­legt“, sagt Frank Jeske, Leiter Motoren- und System­ent­wick­lung bei ebm-papst in St. Georgen. „Für die Anwen­dung waren einige Ände­rungen am Motor notwendig.“

Für Entwick­lungen wie diese arbei­tete ebm-papst früher parallel mit verschie­denen Soft­ware­tools, die sich in wieder­holten Rechen­gängen der Lösung annä­herten. Damit konstru­ierten die Inge­nieure einen Entwurf und bauten davon ausge­hend erste Muster. Diese testeten sie, änderten Para­meter und entwi­ckelten neue Entwürfe und Muster, bis der Motor irgend­wann die gewünschten Anfor­de­rungen erfüllte. „Der Motor durch­lief diverse Opti­mie­rungs­schleifen“, erklärt Jeske. „Das kostete viel Zeit und Geld.“ Der Arbeits­kreis Motoren von ebm-papst suchte daher nach besseren Entwick­lungs­me­thoden.

„Das Wissen des Programms wächst. Wenn wir ein Folge­pro­jekt haben, können wir die Daten und Erfah­rungen aus diesem Projekt nutzen und Teile wieder­ver­wenden.“ 

Frank Jeske, Leiter Motoren- und System­ent­wick­lung bei ebm-papst

Darstel­lung des Stators des Motors mit Opti­mie­rungen. (Bild | Linz Center of Mecha­tro­nics)

Der Standort St. Georgen fand die Lösung für indus­tri­elle und auto­mo­bile An­wendungen in dem vom Linz Center of Mecha­tro­nics entwi­ckelten System SyMSpace. Das Programm kann Dritts­oft­ware, wie CAD, Finite-Element-Löser und dyna­mi­sche Si­mu­lations­werkzeuge selb­ständig fern­steuern und vereint somit alle notwen­digen Tools in einem Programm. „Nun erstellen wir Modelle und sagen dem Programm dann, für welche Para­meter es diese opti­mieren soll, zum Beispiel für mini­male Verluste. Dann rechnet es allein – etwa über das Wochen­ende  – und wir können, wenn alles passt, schon am Montag Muster erstellen“, sagt Jeske.

Der Kunde bekommt damit schneller belast­bare Zwischen­er­geb­nisse, wodurch Anpas­sungen einfa­cher möglich sind, und so schließ­lich ein besseres Produkt. Denn das errech­nete Optimum ist genauer als die Annä­he­rung über Bemus­te­rungs­schleifen, sofern die Modelle die Realität exakt genug abbilden. „Der große Vorteil ist, dass das Wissen des Programms wächst. Wenn wir ein Folge­pro­jekt haben, können wir die Daten und Erfah­rungen aus diesem Projekt nutzen und Teile wieder­ver­wenden. So kommen wir noch schneller zum Ziel.“

Zukunfts­pro­jekte: Digi­taler Zwil­ling und ther­mi­sche Model­lie­rung

ebm-papst koope­riert schon seit den 90-er Jahren eng mit dem Linz Center of Mecha­tro­nics sowie dem Institut für elek­tri­sche Antriebe und Leis­tungs­elek­tronik an der Johannes Kepler Univer­sität Linz bei der Opti­mie­rung von Systemen. Derzeit arbeiten beide gemeinsam mit anderen Unter­nehmen im Rahmen eines öffent­lich geför­derten Projektes am Thema digi­taler Zwil­ling. In Zukunft soll dem Kunden vorab ein Simu­la­ti­ons­mo­dell zur Verfü­gung gestellt werden, mit dem er die Funk­tio­na­lität des Motors oder des Komplet­t­an­triebs­sys­tems als digi­tale Version in sein System einbinden kann. So kann er das Verhalten der Antriebs­lö­sung wie Dreh­zahl, Dreh­mo­ment, Thermik, Verluste und so weiter vorsi­mu­lieren und sein Umfeld darauf auslegen, bevor er das Produkt selbst in der Hand hat.

Der SyMSpace Opti­mizer stellt Verlusten im Motor und Kosten der Umset­zung gegen­über. So kann sich der Entwickler die für ihn opti­male Kombi­na­tion aussu­chen. (Bild | Linz Center of Mecha­tro­nics)

Die Opti­mie­rung von Simu­la­ti­ons­mo­dellen in SyMSpace war dafür bereits der erste Schritt. Ein wich­tiges Teil­thema davon ist die ther­mi­sche Model­lie­rung. In der indus­tri­ellen Antriebs­technik gibt es oft unvor­her­seh­bare Zyklen mit schnellem Hoch­lauf, schnellem Abbremsen, schlag­ar­tigem Dreh­mo­ment­wechsel oder Dreh­zahl­schwan­kungen. Das macht Simu­la­tionen schwierig, weil es kompli­ziert ist nach­zu­bilden, wie sich die Aktiv­teile des Motors erwärmen. Das soll in Zukunft anders werden: Gemeinsam mit dem Linz Center of Mecha­tro­nics gene­riert ebm-papst ein ther­mi­sches Modell, mit dem es bald jegliche prak­ti­sche Belas­tungs­formen nach Ausrich­tung auf die Plat­ten­ver­bin­dung vordenken möchte. So kann das Unter­nehmen auch in der indus­tri­ellen Antriebs­technik Kunden­an­for­de­rungen bald noch genauer erfüllen.