Da die Anforderungen an die Leistung von Elektromotoren steigen, stehen Ingenieure vor einer altbekannten Herausforderung: Die bei der Konstruktion prognostizierten Verluste stimmen nicht immer mit den tatsächlichen Werten im Betrieb überein. 

Die Pulsweitenmodulation (PWM) ist ein Grund dafür. 

Durch PWM verursachte Verluste können zu unerwarteten Überhitzungsstellen und einem geringeren Wirkungsgrad führen, werden jedoch häufig erst durch empirische Korrekturfaktoren berücksichtigt oder erst relativ spät im Motorentwicklungsprozess einbezogen. 

Auf der CWIEME Berlin 2026 stellte Dr. Thomas Vyncke, Geschäftsführer und Gründer von DRV Solutions, einen alternativen Ansatz vor, der auf der Modellierung nach den Grundprinzipien basiert. Ziel ist es, Ingenieuren eine schnellere Möglichkeit zu bieten, diese Verluste zu verstehen, bevor die Entwürfe spätere Entwicklungsphasen erreichen. Von Konstruktionsfaktoren zur Physik –… 

Wenn Simulation und Realität auseinandergehen 

Die Bedeutung der PWM-Verluste wird besonders deutlich, wenn man die Simulationsergebnisse mit physikalischen Messungen vergleicht. 

Im Rahmen der Veranstaltung stellte Vyncke eine Fallstudie aus der Automobilbranche vor, bei der eine Abweichung von 30 % zwischen simulierten und gemessenen Verlusten auftrat, als PWM-Effekte nicht angemessen berücksichtigt wurden. 

Für Ingenieure, die leistungsstarke Elektroantriebe entwickeln, kann diese Lücke Folgen haben, die über die Effizienzwerte hinausgehen. Nicht berücksichtigte Verluste können das thermische Verhalten, die Kühlungsanforderungen und letztlich auch die Entscheidungen hinsichtlich der Motorkonstruktion beeinflussen. 

Die Herausforderung besteht daher nicht nur darin, die durch PWM verursachten Verluste genau zu berechnen. Ingenieure benötigen zudem eine Methode, die schnell genug ist, um sie während des gesamten Entwurfsoptimierungsprozesses einzusetzen. 

Vom Thema Korrekturfaktoren zur Physik 

Die auf der CWIEME Berlin vorgestellte Methodik kombiniert eine transiente Finite-Elemente-Analyse (FEA) mit vorab berechneten Datensätzen und einer Nachbearbeitung. 

Allgemeine Berechnungen der Stromoberwellen werden von motorspezifischen transienten FEA-Analysen getrennt, während Transformationen im Frequenzbereich eine schnellere Verlustabschätzung ermöglichen. Dadurch können Ingenieure PWM-Verluste bewerten, ohne für jeden Betriebszustand wiederholt rechenintensive Simulationen durchführen zu müssen. 

Die potenzielle Zeitersparnis ist beträchtlich. 

Dem Vortrag zufolge ermöglicht dieser Ansatz die Durchführung von Bewertungen über gesamte Wirkungsgradkurven und Fahrzyklen hinweg innerhalb weniger Stunden – im Gegensatz zu den weitaus längeren Zeiträumen, die bei der Anwendung herkömmlicher transienter Simulationen für jeden einzelnen Betriebspunkt erforderlich sind. 

Die experimentelle Validierung ergab ebenfalls eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten, obwohl bei hohen Modulationsindizes aufgrund von Annahmen bezüglich der Überlagerung von Harmonischen und Effekten höherer Ordnung weiterhin gewisse Ungenauigkeiten bestanden. 

Diese Unterscheidung ist wichtig. Das Ziel besteht nicht darin, das technische Urteilsvermögen zu ersetzen, sondern einen praktischen Modellierungsansatz bereitzustellen, der eine detaillierte PWM-Analyse während der Entwicklung besser nutzbar macht. 

Eine schnellere Analyse schafft mehr Spielraum für Optimierungen 

Die Methodik wurde in das Taurus-Toolkit von DRV Solutions integriert, das mit etablierter Engineering-Software wie Ansys und JMAG kompatibel ist. 

Diese Integration eröffnet weitreichendere Möglichkeiten für die Entwicklung von Elektromotoren. 

Wenn die Verlustberechnungen schneller vonstattengehen, können Ingenieure mehr Entwurfsoptionen prüfen. Sie können die Auswirkungen von Schaltstrategien untersuchen, den Kühlbedarf ermitteln und die Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen bewerten, ohne die PWM-Verluste als abschließende Korrektur zu betrachten. 

Dadurch verlagert sich die Frage von „Um wie viel müssen wir den Wert erhöhen, um PWM zu berücksichtigen?“ hin zu „Was sagt uns die Physik über diesen Entwurf?“ 

Die Modellierung näher an die realen Betriebsbedingungen heranführen 

Im Zuge der fortschreitenden Elektrifizierung sind Motorentwickler gefordert, höhere Effizienz, Leistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig immer anspruchsvollere Entwicklungszyklen zu bewältigen. 

Eine verbesserte Modellierung wird ein wichtiger Bestandteil bei der Erfüllung dieser Anforderungen sein. 

Die CWIEME Berlin bringt Fachleute aus den Bereichen Motorkonstruktion, Werkstoffe, Fertigung und Ingenieurwesen zusammen, die sich mit diesen Herausforderungen befassen. Diskussionen wie diese zeigen, warum die Zusammenarbeit zwischen Simulationsspezialisten und Motoringenieuren so wichtig ist: Verbesserungen bei der Modellierung können Entscheidungen direkt beeinflussen, die lange bevor ein Motor in die Produktion geht, getroffen werden. 

Was die durch PWM verursachten Verluste angeht, könnte die Berücksichtigung der zuvor erläuterten physikalischen Zusammenhänge Ingenieuren dabei helfen, Probleme früher zu erkennen, mehr Konstruktionsoptionen zu vergleichen und Motoren zu entwickeln, deren Leistung den Erwartungen besser entspricht, wenn die Simulation in die Praxis umgesetzt wird.