Intégrer des simulations électromagnétiques dans le cadre de votre processus de conception, c'est EMAG-nifique

Les ingénieurs en électromagnétisme (EMAG) et en électricité sont à l'aise avec les packages d'ingénierie assistée par ordinateur (IAO) EMAG rationalisés, tels que Simcenter SPEED, Simcenter Motorsolve et Simcenter MAGNET. Nos collègues fonctionnels de la conception assistée par ordinateur (CAO) génèrent pour nous une géométrie décaractérisée composée uniquement de pièces actives EMAG. Si nous rencontrons des problèmes de CAO, par exemple lors de l'extraction de la géométrie d'un assemblage, ou des erreurs de maillage, nous renvoyons automatiquement la conception aux concepteurs CAO, et l'heure tourne.

Peut-on continuer comme ça ?  

Avec la course à l'électrification, il est nécessaire de renforcer la coopération entre les différentes équipes. Les concepteurs de produits nous donnent "l'aspect et la sensation" du produit : la peau. Les concepteurs CAO définissent l'espace. Les ingénieurs IAO travaillent ensuite dans le respect des contraintes pour ajouter les éléments physiques nécessaires à l'optimisation du produit.  

Consacrer du temps à la communication et à l'alignement entre les équipes est considéré comme une partie inhérente du processus. "C'est simplement ainsi que les choses se passent dans les grandes entreprises" est une plainte courante. Les processus sous-optimaux ont pu être acceptés lorsque les composants électromagnétiques n'étaient qu'un accessoire de votre produit. Cependant, de nos jours, la propulsion électrique est au cœur de nombreux produits, et perdre du temps dans des itérations avec d'autres départements peut doubler vos cycles de développement et faire monter en flèche les coûts de recherche et de développement. En outre, en raison de la forte concurrence et du manque de ressources en ingénierie, il est inutile de continuer à perdre du temps avec des itérations sans intérêt. 

Qu'en est-il des changements en amont de la CAO qui affectent les organes de l'EMAG ? 

Il n'est pas rare qu'un ingénieur EMAG travaillant sur un groupe motopropulseur électrique reçoive un fichier CAO neutre détaillé. Souvent, ces fichiers, bien que constitués d'un ensemble boîtier et transmission, ne sont pas associatifs (nous verrons plus loin ce que signifie le terme "non associatif"). Les fichiers ne comportent pas le rotor, le noyau du stator ou les deux, et sont plus visuels que fonctionnels pour l'IAO. Cela déclenche un va-et-vient entre les équipes EMAG et CAO, qui doivent maintenant épurer et simplifier la géométrie et vérifier les matériaux. Ce n'est qu'après ce processus d'épurage que l'ingénieur en électromagnétisme peut commencer son véritable travail de recherche d'un concept et de validation de la conception proposée. 

En raison de la flambée des taux d'intérêt et de l'augmentation des coûts, les chefs de projet dans le domaine des véhicules électriques sont soumis à une forte pression depuis 2018 pour respecter les délais de livraison des véhicules à des coûts élevés si rien n'est fait. Par conséquent, vous entendrez peut-être le vôtre demander à votre équipe de réduire le poids et le volume des composants. En tant qu'ingénieur EMAG, vous devez trouver des moyens astucieux pour optimiser le temps des concepteurs CAO. Rassurez-vous, vous n'êtes pas le seul. Les concepteurs CAO doivent tenir compte des nouvelles mises à jour de la CAO et aider les équipes d'IAO à mettre à jour leurs géométries. Comme vous pouvez l'imaginer, les e-mails, les appels et les réunions pour y parvenir sont nombreux, et l'impact sur le délai de mise sur le marché est énorme.  

Comment gagner du temps ?

Un système qui permet à l'ingénieur en électromagnétisme de mettre automatiquement à jour ses modèles en fonction de la dernière conception CAO, avec un minimum d'intervention de la part du concepteur, augmentera la productivité. Vous pouvez voir un exemple de processus possible dans cette courte vidéo. La vidéo montre comment mettre à jour une géométrie de moteur électrique 2D extraite d'un assemblage de véhicule en raison de modifications en amont du diamètre extérieur du stator. 

La vidéo commence par se concentrer sur le groupe motopropulseur et isole progressivement le moteur électrique du reste de l'assemblage. Ensuite, nous ne nous contentons pas de saisir les corps actifs électromagnétiques, mais nous les associons à l'assemblage. Puis, nous ajoutons tout ce dont nous avons besoin pour notre simulation : les zones d'air et de remaillage, les géométries 2D du rotor et le maillage des éléments finis pour terminer. Enfin, nous déclenchons une modification en amont du diamètre extérieur du stator, que vous pouvez voir dans les mises à jour du maillage. La connexion CAO de l'environnement Simcenter vous permet de vous concentrer sur votre travail : l'analyse électromagnétique.

Intéressons-nous maintenant à la tendance mondiale à l'allègement et à l'intégration des groupes motopropulseurs électriques. Il est nécessaire de contrôler les niveaux de bruit et de se débarrasser de la chaleur dans des moteursélectriques de plus en plus petits. Ces derniers nécessitent un refroidissement par liquide plus complexe et des concepteurs qui veillent à ce que les aimants ne soient pas défectueux, ce qui modifierait la structure de l'électromagnétisme. 

Comment mettre à jour le modèle électromagnétique en fonction des changements géométriques induits par la multiphysique ? 

Dans un flux de travail traditionnel, les mises à jour de modèles non associées effectuées par d'autres groupes obligeraient l'ingénieur EMAG à répéter la course au flux de travail avec l'équipe de conception et tous les e-mails et appels associés. Le manque d'associativité sera désagréable à vivre ! En outre, le problème ne fait que s'aggraver si l'on augmente le nombre de domaines physiques pris en considération.  

Les groupes motopropulseurs électriques sont soumis à toute une série d'itérations de simulation multiphysique avant que les ingénieurs ne se décident à les concevoir. Ces changements horizontaux sont mutuellement motivés par l'électromagnétisme, la thermique, la structure et l'analyse du bruit et des vibrations (NVH). Les ingénieurs de chaque département travaillant simultanément avec un outil non associatif, la possibilité qu'un ingénieur travaille sur un modèle obsolète au lieu de la meilleure conception actuelle est considérablement élevée.  

Comment gardez-vous trace de la géométrie IAO mise à jour ?  

Heureusement, il existe une référence, bien que subtile dans un environnement cloisonné. La CAO de conception est le seul lien commun entre la physique et les exigences du produit, telles que le coût, qui est lié au volume et à la masse. Comme l'illustre le schéma 2, si la CAO de conception est mise à jour de manière transparente, cela signifie que tous les ingénieurs CAO et IAO accèdent à la même géométrie à tout moment. Il est évident que la mise à jour et l'accès sont contrôlés dans un environnement géré. Cela signifie que vous n'aurez pas de résultats périmés lors de vos réunions de projet. Pour l'électromagnétisme, la géométrie reflétera les changements horizontaux et en amont récemment approuvés. 

Par exemple, sur le schéma 3, nous voyons l'évolution des pièces du stator EMAG, d'une conception efficace basée uniquement sur les performances électromagnétiques à une conception qui prend en compte les canaux de refroidissement sur les bobines. Nous constatons une réduction du couple parce que le volume est maintenant limité. En effet, le premier modèle contient plus d'acier et peut donc transporter plus de flux magnétique.  

Comme nous le voyons dans la vidéo, nous pouvons associer les parties actives de l'électromagnétique à la conception CAO. Après une étude paramétrique pour choisir la largeur finale du canal, cette modification géométrique a été introduite dans la conception CAO. Et comme la géométrie utilisée pour la simulation électromagnétique est associative, il a suffi de réexécuter la résolution avec les changements

De quoi parle-t-on exactement ? 

1. Dans un processus de conception multiphysique tel que celui requis pour une machine électronique, un flux de travail rationalisé peut permettre d'économiser des centaines d'heures d'ingénierie. L'installation initiale ne vous demande un effort qu'une seule et unique fois ! Pour le reste, il s'agit simplement d'itérer la conception en fonction des exigences du produit et des changements physiques. 

2. Le flux de travail associé nous aide à surmonter notre approche cloisonnée et notre parti pris pour une physique unique dans le développement. Un dispositif électromagnétique efficace peut ne pas être structurellement solide ou même impossible à fabriquer. En saisissant ce qui est possible grâce aux contraintes géométriques et aux interactions physiques, nous parvenons à une conception plus réaliste. Dans le même temps, il nous aide à gérer nos propres préjugés internes en matière de physique et à travailler ensemble à un bon équilibre des performances. Ce que nous pensons être adapté à notre physique n'est pas nécessairement bon pour les performances globales du produit. Un processus de conception intégré nous permet d'effectuer ces itérations et de converger beaucoup plus rapidement !

En résumé, le processus associé présenté dans ce blog permet de réduire les pertes de temps et de développer les produits plus rapidement. Ce processus permet aux ingénieurs et aux concepteurs de s'entendre plus rapidement sur un concept en veillant à ce que tout le monde travaille sur le modèle le plus récent. Tout en veillant à ce qu'il n'y ait pas d'inconvénients tels que des préjugés en faveur de modèles physiques particuliers ou des équipes cloisonnées. Construisez votre prochain moteur électrique plus rapidement, mieux et moins cher en termes d'heures d'ingénierie.

Ressources associées