Simcenter Amesimを使用して電動ホイール式掘削機を初めて開発したフランスの建設機械メーカー

脚光を浴びるイノベーション

パリ市議会は、大気汚染を減らし、市民の健康を守り、気候変動と向き合うために、2018年に領空エネルギー計画を採択しました。計画では、2050年までにカーボン・ニュートラルな都市になることを目標としており、2024年までにディーゼル燃料の廃止、2030年までにガソリン・エンジンを廃止する予定です。

この取り組みを受け、Mecalacグループ (Mecalac) はパリの大気汚染対策を踏まえた機械を設計して製造しています。そのうちの1つが、革新的な完全電動ホイール式掘削機であるMecalac e12であり、大気汚染軽減の取り組みにおける同社の輝かしい功績を表しています。INTERMAT 2018トレードショーで発表されたMecalac e12は、技術面と環境面の両方の性能に秀でた機械を表彰するイベントでエネルギー移行賞を受賞しました。

Mecalacの研究開発ディレクターであるMax Boniはこう述べています。「100%電動の掘削機を初めて発売したことは、重要なマイルストーンであると考えます。この切削機は、2024年までにディーゼル燃料ゼロの目標を達成するのに役立ちます。二酸化炭素やその他の有害な汚染物質の排出が全くないこの新しい掘削機は、Mecalac新時代の到来を告げるものです。また、よりコンパクトで高性能な環境に優しい都市作業現場を目指すという当社のイノベーション戦略にも合致しています」

3つの主要な設計課題、画期的なイノベーションの一例

電動掘削機の開発にあたり、Mecalacは、航続距離、性能、コンパクトさ、という3つの基本的な要件を満たす最適なアーキテクチャを定義しました。そのためには、バッテリーの適切なサイズをどうするかが問題でした。複数のパラメーターを含めた高難度の方程式を解かなければなりませんでしたが、何とかできました。

Mecalacのメカトロニクス・システム・エンジニアであるThomas Schaep氏は言います。「将来的な連続生産を見据えながら、最初の実用的な試作機を開発しなければなりませんでした。既に受注生産されているバッテリーは解決策になりませんでした。代わりに、既製のバッテリー・モジュールを組み合わせて、機械の全体的な航続距離、コスト、汚染物質排出量を最適化しようとしました」

Simcenter Amesimを選択

新しい電動掘削機モデルを検討するために、Mecalacの研究開発 (R&D) チームは、機械、油圧、熱、電気のレベルでシステム性能を解析および予測できるモデリングおよびシミュレーション・ソリューションの導入を予定していました。

シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェアのSimcenter Amesim™ソフトウェアを選んだのは、その使いやすさ、オープン性、すぐに使用できる幅広いマルチフィジックス・ライブラリが魅力だったからです。Schaep氏はSimcenter Amesimに精通しており、すぐに使用できました。モデリング・フェーズは3段階のプロセスにより完了し、約3か月続きました。

最初のステップは機械モデリングで、2D図面の寸法がMicrosoft Excelスプレッドシート・ソフトウェアに入力されました。Simcenter AmesimとExcelの間の同期双方向接続では、Excelに入力された値をそのままSimcenter Amesimのシミュレーション・パラメーターとして使用できます。パラメーターがSimcenter Amesimで変更されると、Excelで自動更新され、両方のデータソースが同期されます。この方法であれば、Simcenter Amesimを使い慣れていないユーザーであってもExcelの情報を使用できます。さらに、Simcenter Amesimのコンピューター支援設計 (CAD) インポート機能により、数回クリックするだけで、CADファイルから掘削機のキネマティック・モデル、機械モデルを自動的に生成できます。

次のステップは油圧モデリングです。油圧分布はスーパー・コンポーネントを使用してモデル化され、連続的に繰り返されます。建設機械の油圧装置は非常に高額なため、このステップでは非常にきめ細かく詳細なモデリングが必要でした。実際の測定値を表す最適なモデルを見つけ出すために、シミュレーション結果を実際の物理的測定値と比較しました。両者の間には高い相関性が見られました。

最後のステップは電気モデリングです。永久磁石同期モーター (PMSM) の詳細モデルがそのコントローラー、インバーター、バッテリーに関連付けられます。

初回から適切なe12の試作機を作成

Mecalacでは、Simcenter Amesimモデルを使用して、さまざまなアーキテクチャ案をシミュレーションし、複数のパラメーターを解析しました。これにより、電力システムのサイズを決定し、初回から適切な試作機を作製できました。速やかな試作はコストと時間の両面に大きなメリットがあります。Mecalacは事実、Amesim Simcenterがなければ、航続距離、パフォーマンス、輻輳を最適化するまでに2～3回の試作が必要だったと考えています。

「Mecalac e12バッテリーは、146キロワット時の記録的な容量があり、競合製品よりも圧倒的に長い8時間という航続時間を達成するとともに、従来のバッテリーの3倍のバッテリー寿命を備えています。これらの性能がINTERMAT 2018トレードショーで専門家から広く称賛されました」とBoni氏は言います。

高い創造性

Simcenter Amesimの実証済みのライブラリ、使いやすさ、堅牢性は、Mecalacの研究開発部門からすぐに高い評価を受けました。

Schaep氏はこう語ります。「エネルギー損失など、以前は定量化できなかった特定の現象を細かく理解し、正確に把握できるようになりました。モデルの予測可能性も精度が高く、複数のシミュレーションをすばやく行うことができます。システム・シミュレーションによって、より多くの創造的な設計案を検討し、選択肢を考案する時間が生まれました。システム・シミュレーションを使わなければ不可能だったでしょう。つまり、Simcenter Amesimは、当社の創造性を高めてくれたと言えます」

新しいコンセプトへの開かれた扉

Mecalacでは、Simcenter Amesimモデルをe12の連続生産フェーズで活用するため、すでに同モデルの高度なバージョンを使用しています。実際、エンジニアリング部門は、Simcenter Amesimモデルと制御則モデルを組み合わせて動作を最適化する計画を立てています。このSimcenter Amesimモデルの次のステップは、バッテリーのサイクル劣化およびカレンダー劣化を検証することです。最終的にはシーメンスデジタルインダストリーズソフトウェアのHEEDS™ソフトウェアなどの最適化ソリューションも併用して、設計探索プロセスを自動化し、時間短縮を図る予定です。

Boni氏は言います。「Simcenter Amesimのおかげで、新しい革新的な設計案を積極的に探求できるようになりました。初回のe12の研究は、将来の開発に向けた新しいアイデアを出し合うチャンスです。当プロジェクトチームから、マーケティング・チームと購買チームに多くの提案を出せるようになりました。」

将来の都市作業現場のニーズに適応し、革新的なソリューションを提供するというMecalacグループが40年間、大切にしてきた遺伝子がここに生かされています。