Design von induktiven Bauteilen mit einer Simulations-App bei Bombardier Transportation
Bombardier Transportation, ein Anbieter von Mobilitätslösungen für Züge auf der ganzen Welt, unterhält Partnerschaften mit 200 Großstädten in 60 Ländern. Tatsächlich fahren täglich mehr als 500 Millionen Fahrgäste mit Zügen, in denen Bombardier-Produkte eingesetzt werden! Die Komponenten in diesen Zügen müssen sowohl die Anforderungen verschiedener Kunden als auch die Spezifikationen einer Vielzahl von Lieferanten erfüllen. Wir haben mit einem Ingenieur von Bombardier Transportation gesprochen, der eine Simulations-App für induktive Bauteile für Züge entwickelt hat, um den Design- und Entwicklungsprozess zu beschleunigen…
Volle Kraft voraus
Mateusz Rynkiewicz, Ingenieur für magnetische Komponenten bei Bombardier Transportation, arbeitet mit Kunden und Lieferanten zusammen, um sicherzustellen, dass die Komponenten den Designspezifikationen eines Zuges entsprechen. Diese Anforderungen können auf klimatischen Vorgaben, Branchenbeschränkungen, Kundenbedürfnissen und Lieferantenfeedback basieren.
Eines der Produkte von Bombardier Transportation ist ein Doppelstockwagenzug in Deutschland. Bild mit freundlicher Genehmigung von Bombardier.
Bei der Entwicklung dieser Komponenten stellte Rynkiewicz fest, dass das Hin und Her zwischen einem Lieferanten und einem Kunden bei jeder Iteration einen Zeitraum von einer bis zu drei Wochen in Anspruch nehmen konnte. Er wollte diesen Prozess beschleunigen und den Kollegen schneller Antworten auf Fragen zu Bauteilabmessungen, Verlusten und Massen geben können. „Ich sah eine Möglichkeit, [eine App] zu entwickeln, um mit unserer Technik einen Schritt weiter zu gehen“, erklärt Rynkiewicz.
Entwicklung einer App zur Beschleunigung des Designs magnetischer induktiver Bauteile
Die Modellierung von induktiven Bauteilen ist wegen der Vielzahl der zu implementierenden physikalischen Phänomene eine anspruchsvolle Aufgabe. Außerdem stellen die Materiallieferanten selbst eine Herausforderung dar, da sie oft keine detaillierten Daten oder Kenntnisse über ihre Produkte an die Entwickler der Züge weitergeben.
Die 3D-Modellgeometrie des induktiven Bauelements. Bild mit freundlicher Genehmigung von Mateusz Rynkiewicz von Bombardier Transportation.
Rynkiewicz nutzte den in die Software COMSOL Multiphysics® integrierten Application Builder, um eine Simulations-App zur schnellen Berechnung der Magnetfelder und des Wärmetransports in einem induktiven Bauelement für Züge zu entwickeln. Der Application Builder ermöglichte Rynkiewicz die Auswahl spezifischer Eingaben und Ausgaben auf der Grundlage seines vollständig parametrisierten Modells eines induktiven Bauteils, so dass er die Auswirkungen verschiedener Änderungen auf das Design testen konnte, ohne jedes Mal das vollständige Modell erneut ausführen zu müssen. „Ich mag den Application Builder sehr“, meint Rynkiewicz. „Man fühlt sich wie ein Programmierer und ein Wissenschaftler zugleich.“
Die App beinhaltet drei Tabs: Magnetic Field Calculation, Heat Transfer Calculation und Reports.
Berechnung des Magnetfeldes
Der Tab Magnetic Field Calculation enthält Eingaben zum Ändern verschiedener Parameter, wie die Kernbreite, das Material der Kernwicklung und die Anzahl der Windungen in der Spule.
Die App zeigt die Ergebnisse für die magnetische Flussdichte im induktiven Bauteil. Bild mit freundlicher Genehmigung von Mateusz Rynkiewicz von Bombardier Transportation.
Die Ergebnisse der App umfassen einen 3D-Plot der Magnetfeldverteilung und -stärke in dem induktiven Bauelement (siehe oben) sowie einen 2D-Plot der Norm der magnetischen Flussdichte in einem Abstand von bis zu 600 mm.
Die App zeigt die Norm für die magnetische Flussdichte bei 600 mm. Bild mit freundlicher Genehmigung von Mateusz Rynkiewicz von Bombardier Transportation.
Die Norm der magnetischen Flussdichte ist für die Kunden von Bombardier besonders wichtig, da sie für Passagiere mit Herzschrittmachern, die durch die Auswirkungen einer zu hohen magnetischen Flussdichte geschädigt werden können, eine industrielle Einschränkung darstellt.
Berechnung des Wärmetransports
In dem Tab Heat Transfer Calculation kann Rynkiewicz das Induktordesign auf Hot Spots und die mittlere Temperatur untersuchen. „In unserem Tätigkeitsfeld müssen wir prüfen, wo die heißeste Stelle im Bauteil ist, und diese während des Zugbetriebs überwachen“, erklärt er. Eine wichtige Eingabe für diesen Teil der App ist die Umgebungstemperatur, die auf dem Heimklima des Kunden basieren kann. So hat ein induktives Bauteil, das für einen Zug in Singapur entwickelt wurde, andere Anforderungen, als ein Bauteil, das für Großbritannien entwickelt wurde.
Die App zeigt den Hot Spot im induktiven Bauteil. Bild mit freundlicher Genehmigung von Mateusz Rynkiewicz von Bombardier Transportation.
Die Richtung und Stärke des Luftstroms sind wichtige Faktoren bei der Entwicklung von induktiven Bauelementen, die durch einen Ventilator oder natürlich gekühlt werden können.
Die App zeigt die Geschwindigkeit um das induktive Bauteil. Bild mit freundlicher Genehmigung von Mateusz Rynkiewicz von Bombardier Transportation.
Die Vorteile der Simulation für die Produktentwicklung
Die Simulations-App von Bombardier Transportation bietet eine wertvolle Vorschau auf verschiedene Designs und ermöglicht einen schnelleren Austausch zwischen den Ingenieurteams.
Die Schätzungen für die induktiven Bauteile helfen in vielen Fällen, die Wartezeit auf die Daten der Lieferanten zu überbrücken. Durch die Verwendung der von der App bereitgestellten Daten als vorübergehenden Ersatz konnten die Ingenieure weiterarbeiten, während sie auf die tatsächlichen Daten von den Lieferanten warteten. Diese Strategie hat oft viel Zeit gespart und zur Rationalisierung des Entwicklungsprozesses beigetragen. Das Ergebnis? Zufriedene Kunden, zufriedene Lieferanten und Millionen von Passagieren auf der ganzen Welt, die sicher und schnell ans Ziel kommen.
Erfahren Sie mehr über das Erstellen und Bereitstellen von Apps
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Anmerkung des Herausgebers: Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieses Blog-Beitrags war Bombardier Transportation eine Sparte von Bombardier Inc. Im Januar 2021 wurde Bombardier Transportation von Alstom übernommen.
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