インバーター製品開発
における背景と課題
駆動源がモーターである電気自動車には、ガソリン車では発生しない現象があります。パワートレイン用のインバーターはスイッチング周波数が数キロから数十キロと非常に高いため、電磁ノイズ/振動/熱/騒音などの現象が発生します。インバーター開発ではこれらの現象に伴う課題を開発過程で解決し、高効率化/高出力化/小型軽量化/耐久性といったさまざまな性能要求を達成する必要があります。
電磁ノイズを設計段階で評価したうえで、EMC規格を満たすような配線パターンの最適設計が必要となります。インバーター自身から発生する振動や、車両走行に伴う振動に対する振動特性の評価も必要です。インバーターの温度上昇に伴う破損を防ぐため、スイッチングの損失発熱による伝熱評価および効率的な冷却システムの検討も必要です。加えてこれら熱や振動は繰り返し発生するため疲労寿命の評価も必要になります。
サイバネットの
インバーターソリューション
サイバネットシステムでは、インバーター開発における設計/検証/製造の各フェーズに応じた課題を解決するためのソリューションを提供しております。設計段階では、簡易的でスピーディーな寿命予測や、EMC規格を満たすよう電磁ノイズを減らすための配線設計、性能向上やコスト削減に加え環境に配慮した材料選択などのソリューションがあります。検証段階では、放熱効率の検証や、使用環境を想定した熱評価・振動評価とそれらによる疲労寿命評価などのソリューションがあります。製造フェーズでは、はんだ製造工程での反り量の評価などのソリューションがあります。
特徴
計算時間の
大幅短縮
振動や熱といった使用環境下での性能予測の際、大規模モデルの計算時間は膨大になります。特定の評価点や一部のパーツを評価する場合、Model Reduction inside Ansysを使った低次元手法により計算時間を大幅に短縮できます。
多様な
疲労寿命評価
Ansys Sherlockを使用すると熱や振動に対して簡易かつ多様な寿命予測が迅速に行えます。このスピーディーさのため、仕様変更が容易な設計フェーズで活躍します。一方仕様が固まった検証フェーズでは、 Ansys FatigueまたはAnsys nCode DesignLifeを用いた、高度な疲労寿命評価が可能です。
基板の配線パターンの
簡略化
基板の配線パターンは非常に細かいため、形状そのものを表現して、基板の反りなどを計算するのは実質不可能です。Ansys Mechanicalによるトレースインポート機能を使用すると、金属と誘電体の割合に応じた材料のマッピングができます。これによって基板の配線パターンが簡略化でき、計算が可能になります。
具体的な使用事例
IGBTの熱解析の効率化
IGBTを含む基板の伝熱解析を、Model Reduction inside Ansysを用いて低次元化することでスピードアップさせた例です。数十万自由度の3Dモデルを、数百程度の自由度に削減しました。計算時間は10倍以上短縮され、使用されるディスク容量も大幅に削減されました。
基板の疲労解析
（上側）Ansys Sherlockによる疲労寿命評価の例です。基板上のチップ位置を変えたり、サポートを入れることによる、チップの故障率の違いを評価しています。各ケースが数分程度で計算できます。
（下側）Ansys Fatigueを用いてランダムな振動に対する基板の疲労寿命評価を行った例です。応力が高い位置の寿命が低くなっていることがわかります。
配線パターンを考慮した
基板の反り解析
Ansys Mechanicalを用いて熱応力による基板の反り解析を実施した例です。まずAnsys Mechanicalによるトレースインポート機能でECADデータの配線パターンに応じた材料マッピングを実施し、形状を簡略化しています。そして発熱による温度分布を算出し、熱応力解析をすることで基板の反り量を計算しました。これにより、複雑な配線パターンを考慮したうえで基板の計算が可能になります。
お客様の声
車両走行時のさまざまな
負荷によって発熱する
車載機器PCB基板のはんだ温度
をAnsysツールで高速に評価
会社名 ：BOSCH
カテゴリ ：企業
業界 ：輸送用機器
背景：
BOSCH社では車載機器のECUを開発しています。PCB基板に生じる発熱は車両の走行状態や環境によって異なります。BOSCH社ではシミュレーションを利用することで、条件の違いによる発熱に耐えうるECUの開発時間短縮を目指していました。
課題：
PCB基板の配線パターンをどのように考慮するか、そして走行状態や環境の違いによる発熱を考慮した伝熱解析の計算時間をどのように短縮するかが課題でした。
解決策と結果：
配線パターンはAnsys Mechanicalのトレースインポート機能により均質化することで簡略化しました。またModel Reduction inside Ansysを用いて3次元モデルの自由度削減を実施しました。この結果、荷重１パターンの計算時間が数十秒～数分まで短縮しました。
導入までの流れ
ベンチマーク
トライアル利用
受託解析
ご要望に応じて、目的の結果が得られるかどうか導入前に無償/有償で弊社が解析を実施して検討します（ベンチマーク,受託解析）。また無償のトライアルライセンスによるお客様ご自身での試用も可能です。
トレーニング
立ち上げ支援
各種ツールや理論のトレーニングをご用意しております。また①でお客様のモデルに対する受託解析をご依頼いただいた場合、必要に応じてお客様のモデルに対する解析ノウハウをご提供いたします。
充実したサポートや
カスタマイズ
弊社専門技術スタッフによるお問合せ対応やFAQ閲覧、セミナーテキストのダウンロードなど充実したサポートが利用可能です。また導入後も、内容に応じて有償となりますがお客様モデルでのトレーニングコンテンツ作成や解析の請負、特定の用途に応じた製品カスタマイズにも対応いたします。
