Das Projekt „Unterstützung der zukunftsfähigen Baukastenentwicklung für elektrische Traktionsmotoren durch modellbasiertes Systems Engineering“ wurde im Rahmen der AgiloDrive2-Initiative durchgeführt, die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gemeinsam mit der Europäischen Union gefördert wird (Förderkennzeichen 13IK003H). Die Forschung wurde vom Institut für Product Engineering (IPEK) am Karlsruher Institut für Technologie durchgeführt, mit organisatorischer Unterstützung durch die VDI Technologiezentrum GmbH. Die Studie lief im Rahmen des AgiloDrive2-Programms, das sich auf agile Produktionssysteme und modulare Produktbaukästen für elektrische Traktionsmotoren konzentrierte.
Der Kernbeitrag der Arbeit ist ein vierstufiges Prozessmodell, das die Kundenanforderungen in ein technologieoffenes, zukunftssicheres Design von elektrischen Fahrmotoren umsetzt. Im ersten Schritt werden zukunftssichere Anforderungen abgeleitet, indem Markttrends analysiert und Kunden-, Umwelt- und Produktszenarien konstruiert werden. Diese Analyse bildet die Grundlage für die Auswahl geeigneter Motortopologien, wie z.B. permanentmagneterregte Synchronmotoren (PSM) und fremderregte Synchronmotoren (ESM). Der zweite Schritt modelliert die Produktstruktur und die Beziehungen zwischen Ausführungsform und Funktion. Mithilfe des MBSE-Tools Enterprise Architect haben die Autoren Teilsysteme abgebildet, Schlüsselparameter definiert und modulare Varianten erstellt, die verschiedene Magnetklassen, Spannungsebenen und geometrische Abmessungen abbilden. Im dritten Schritt werden die Wechselwirkungen zwischen den Parametern in Form einer Matrix bewertet, um Kombinationsbeschränkungen und mögliche Kompromisse zu ermitteln. Im letzten Schritt wird das modulare System anhand zukunftssicherer Produktionsmöglichkeiten validiert, um sicherzustellen, dass das Design in flexible Produktionslinien integriert werden kann.
Die Methodik berücksichtigt explizit Leistung, Bauraum und Kosten und ermöglicht eine frühzeitige Identifizierung von Kompromissen bei der Konstruktion. Durch die Integration von Produkt- und Produktions-Co-Design unterstützt der Ansatz die schnelle Bewertung von technischen Änderungen, die sich aus den sich entwickelnden Kundenanforderungen ergeben können. Die MBSE-Implementierung in Enterprise Architect liefert einen digitalen Zwilling des Motordesigns, der den Datentransfer zu anderen Entwicklungstools erleichtert und die Simulation von Leistungsszenarien ermöglicht. Obwohl der Bericht keine spezifischen numerischen Leistungswerte präsentiert, zeigt er, dass der Prozess wichtige Leistungskennzahlen wie maximale Leistung, Drehmoment, Geschwindigkeit, Effizienz und Kosten erfassen kann und dass diese Kennzahlen mit modularen Designentscheidungen verknüpft werden können.
Die Studie zeigt auch die Vorteile einer cyber-physischen Systemperspektive für elektrische Traktionsmotoren auf. Indem sie den Motor als CPS behandeln, können die Autoren die Interaktionen zwischen physischen Komponenten (Stator, Rotor, Sensoren) und Computerelementen (Steuerungen) modellieren und so potenzielle Risiken frühzeitig im Designzyklus erkennen. Der Rahmen für das Co-Design von Produkt und Produktion reduziert die Entwicklungszeit und die Produktionskosten, indem Designentscheidungen von Anfang an mit den Fertigungsmöglichkeiten abgestimmt werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Projekt einen systematischen, MBSE-basierten Prozess für die Entwicklung modularer elektrischer Traktionsmotor-Bausätze liefert, die robust gegenüber zukünftigen Marktveränderungen sind. Der Ansatz ermöglicht eine frühzeitige Digitalisierung des Produktentstehungsprozesses, unterstützt eine kundenorientierte Konfigurationsauswahl und bietet einen strukturierten Weg zur Bewertung der Auswirkungen technischer Änderungen auf die Produktionssysteme. Die Zusammenarbeit zwischen IPEK, dem VDI Technologiezentrum und den Fördergebern im Rahmen des AgiloDrive2-Programms zeigt ein erfolgreiches Partnerschaftsmodell, um die agile Produktion von elektrischen Antriebskomponenten voranzutreiben.