Abgeschlossene Forschungsarbeiten

Subject area:

Energy-efficient electric drive system and machine designs

Description:

Bavaria is currently the German federal state that relies most heavily on nuclear power. Bavaria is also the state offering the greatest potential for hydroelectric power generation, particularly through the use of small hydropower plants with both low and high drop heights. There are currently around 3,500 hydropower plants in Bavaria with an output of less than 100 kW. The majority of these plants are using outdated technology, which means that the potential for increasing the present energy yield is huge. In addition, there are also numerous old, decommissioned mills that meet the geographical criteria for hydroelectric power generation and that generally still hold water rights. Due to the forthcoming decommissioning of the nuclear power stations and Bavaria’s aim of drawing 70% of its power from renewable sources by 2025, there is an increasing need for small, decentralized generation facilities. This means that small hydropower plants could be used to their full potential here in the future.

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Themengebiet:

Energieeffiziente Elektrische Antriebs- und Maschinenkonzepte

Beschreibung:

Bayern ist aktuell das Bundesland in Deutschland, welches am Stärksten von der Kernenergie abhängig ist. Bayern ist aber auch das Land mit dem höchsten Potential an Stromerzeugung durch Wasserkraft, insbesondere durch Klein(st)wasserkraft, sowohl mit niedrigen oder hohen Fallhöhen. In Bayern existieren aktuell ca. 3500 Wasserkraftwerke mit einer Leistung kleiner 100 kW. Die meisten dieser Anlagen verfügen über eine Technik, die veraltet ist, weshalb in diesem Bereich ein großes Potential zur Steigerung der Energieausbeute vorhanden ist. Weiterhin gibt es noch zahlreiche alte, stillgelegte Mühlen, die über die geographischen Voraussetzungen zur Nutzung der Wasserkraft und zudem in der Regel noch über ein Wasserrecht verfügen. Aufgrund der bevorstehenden Abschaltung der Kernkraftwerke und Bayerns Ziel, im Jahr 2025, 70 Prozent des Stromes aus regenerativen Quellen zu beziehen, ergibt sich ein zunehmender Bedarf an dezentralen, klein dimensionierten Erzeugungseinrichtungen. Hier könnte in Zukunft das Potential der Klein(st)wasserkraftwerke voll ausgespielt werden.

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FAelA - design and optimization of flux-switching permanent magnet machines

Subject area:

Electrical machines and drive systems

Keywords:
  • Innovative topologies for electrical machines
  • Flux-Switching Permanent Magnet Machine
Description:

For a large number of application areas, permanent magnet machines combine a range of important positive properties, such as high performance and torque density, high efficiency, and compact construction. In this regard, the permanent magnet synchronous motor (PMSM) has been particularly successful in establishing itself on the market. A significant disadvantage of PMSM is the fact that critical rare earths are used in the magnetic material in order to stabilize changes to the magnetic properties of the magnets that are caused by temperature increases.

An innovative machine topology, in which the use of critical rare earths in the magnetic material can be almost completely avoided, is the Partitioned Stator Flux-Switching Machine (PS-FSPM). The construction of this electrical machine is very similar to the topology of a magnetic gear. This highly innovative topology also offers the potential for a significant increase in torque density when compared with conventional PMSM.

Due to its highly innovative nature, very few computational methods are to be found in the literature describing PS-FSPM design. The aim of the project is therefore to support the design and optimization processes for the topology in a methodical manner by developing computational models. This will enable development time and therefore development costs to be significantly reduced for industrial firms.

FAelA - Design und Optimierung von Flux-Switching Permanent Magnet Machines

Themengebiet:

Elektrische Maschinen und Antriebe

Stichworte:
  • Innovative Topologien elektrischer Maschinen
  • Flux-Switching Permanent Magnet Machine
Beschreibung:

Permanentmagnetmaschinen vereinen für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten eine Reihe wichtiger positiver Eigenschaften, wie z.B. eine hohe Leistungs- und Drehmomentdichte, eine hohe Effizienz und eine kompakte Bauform. Hierbei hat sich vor allem die permanenterregte Synchronmaschine (PMSM) auf dem Markt etabliert. Als großer Nachteil von PMSM kann die Tatsache genannt werden, dass dem Magnetwerkstoff kritische Seltene Erden zugesetzt werden, um die Änderung der magnetischen Eigenschaft in den Magneten aufgrund von Erwärmung zu stabilisieren.

Eine innovative Maschinentopologie, bei der fast vollständig auf kritische Seltene Erden im Magnetwerkstoff verzichtet werden kann, ist die Partitioned Stator Flux-Switching Machine (PS-FSPM). Der Aufbau dieser elektrischen Maschine besitzt große Ähnlichkeit mit der Topologie eines Magnetgetriebes. Diese höchst innovative Topologie bietet zudem das Potential einer deutlichen Steigerung der Drehmomentdichte im Vergleich mit konventionellen PMSM.

Aufgrund des hohen Innovationsgrades sind in der Literatur für die Auslegung von PS-FSPM kaum Berechnungsmethoden zu finden. Ziel des Projektes ist deshalb das Entwurfs- und Optimierungsverfahren der Topologie durch die Entwicklung von Berechnungsmodellen methodisch zu unterstützen. Die Entwicklungszeiten- und damit –Kosten können für die Industrieunternehmen dadurch deutlich reduziert werden.

FIKAT4.0 – smart and flexible miniature drive technology for Industry 4.0

Subject area:

Control of electrical machines

Keywords:
  • Model-based predictive control (MPC)
  • Flexible fieldbus connection (PROFINET, EtherCAT)
  • Innovative control methods for power electronics systems
  • Small-scale drive technology
Description:

Taking account of the requirements of Industry 4.0 in the areas of communication, miniaturization, and energy efficiency, the research project will develop a concept for a modularized small-scale drive system. Alongside a uniform communications module that must support several established field bus protocols, this system will also include power modules of various sizes. The focus will not just be on the miniaturization of the power module, but also on flexible design. The intention is that direct current and alternating current motors will be operated within the same power module.

By testing smart, predictive, and model-based control methods in an application-oriented way, the research project should be capable of demonstrating the potential offered by this innovative control method. The intended hardware will serve as an evaluation platform that will enable promising algorithms to be adopted quickly.

The significant growth in the market for small-scale propulsion technology can no longer be excluded for considerations of efficiency. The research project should take account of the drive system as a whole and demonstrate increases in energy efficiency and dynamics by means of smart, predictive, model-based control methods.

FIKAT4.0 - Flexible und intelligente Klein-antriebstechnik für Industrie 4.0

Themengebiet:

Regelung von elektrischen Maschinen

Stichworte:
  • Modellbasierte prädiktive Regelung (MPC)
  • Flexible Feldbusanbindung (PROFINET, EtherCAT)
  • Innovative Ansteuerverfahren von leistungselektronischen Systemen
  • Kleinantriebe
Beschreibung:

Unter Berücksichtigung der Anforderungen von Industrie 4.0 im Bereich Kommunikation, Miniaturisierung und Energieeffizienz soll im Forschungsvorhaben ein Konzept für ein modularisiertes Kleinantriebssystem entstehen. Dieses System wird neben einem einheitlichen Kommunikationsmodul, das mehrere etablierte Feldbusprotokolle unterstützen soll, auch Leistungsmodule verschiedener Größe enthalten. Neben der Miniaturisierung der Leistungsmodule wird ein weiteres Augenmerk auf der flexiblen Gestaltung liegen. So sollen neben Gleichstrom- auch Drehstrommotoren an demselben Leistungsmodul betrieben werden.

Mit der anwendungsnahen Erprobung von intelligenten prädiktiven modellbasierten Regelungsmethoden soll im Forschungsvorhaben das Potential dieser neuartigen Regelungsmethode aufgezeigt werden. Dabei soll die geplante Hardware als Evaluierungsplattform dienen, um die vielversprechenden Algorithmen schnell in die Anwendung zu überführen.

Der stark wachsende Markt der Kleinantriebstechnik kann aus Effizienzbetrachtungen nicht weiterhin ausgeschlossen bleiben. Im Forschungsvorhaben sollen durch die ganzheitliche Betrachtung des Antriebssystems Steigerungen der Energieeffizienz und Dynamik durch intelligente prädiktiven modellbasierten Regelungs-methoden aufgezeigt werden.

Subject area:

Electrical machines and drive systems

Keywords:
  • Computation of electrical machines
  • Influence of manufacturing on the electrical laminations
  • Performance of measurements on magnetically soft materials
Description:

The bundle of laminations is a central component of an electric motor. During its production, it is subjected to a number of manufacturing influences, which have a negative impact on the performance of the machine. As a result, efficiency falls and losses increase. The aim of this research is to shape production and the design of the machine in such a way that the negative influences of processing are minimized. In order to achieve this, the influence of the individual stages of manufacturing on the magnetic properties of the material used for the electrical laminations must be precisely determined.

Specializations within the project are analytical projections of the increases in losses and magnetization requirements caused by the individual manufacturing stages, and confirmation through the use of finite-element simulations. Measurements performed on processed electrical laminations and on manufactured motors form the basis for all calculations and validations.

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Martin Regnet Martin Regnet
Themengebiet:

Elektrische Maschinen und Antriebe

Stichworte:
  • Berechnung elektrischer Maschinen
  • Fertigungseinflüsse Elektroblech
  • Messungen an weichmagnetischen Materialien
Beschreibung:

Zentraler Bestandteil eines Elektromotors ist das Blechpaket. Dieses erfährt während seiner Produktion zahlreiche Fertigungseinflüsse, welche sich negativ auf das Betriebsverhalten der Maschine auswirken. Infolgedessen sinkt der Wirkungsgrad und die Verluste steigen an. Ziel der Forschung ist es, die Produktion und das Maschinendesign so zu gestalten, dass die negativen Bearbeitungseinflüsse minimiert werden. Dafür ist es notwendig, den Einfluss der einzelnen Fertigungsschritte auf die magnetischen Eigenschaften des Werkstoffs Elektroblech genau zu bestimmen.

Schwerpunkte innerhalb des Projekts sind analytische Vorausberechnungen der Erhöhung von Verlusten und des Magnetisierungsbedarfs aufgrund der einzelnen Fertigungsschritte sowie die Bestätigung unter Verwendung von Finite-Element Simulationen. Messungen an bearbeiteten Elektroblechen und an gefertigten Motoren liefern die Grundlage für alle Berechnungen und Validierungen.

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Martin Regnet Martin Regnet

KaskaEE – use of cascade motors as a generator for renewable energies

Subject area:

Electrical machines and drive systems

Keywords:
  • Innovative topologies for electrical machines
  • Renewable energies (water power)
  • Variable-speed system concept with low frequency inverter load
Description

The expansion of renewable energies during the course of the energy transition requires innovative and improved generator concepts, among other things. The cascade motor is one such innovative machine, which shows distinct similarities with the double-fed asynchronous machine with slip ring rotor. The cascade motor is also double-fed; however, it is fed by two separate stator winding systems, which does away with the need for maintenance-intensive slip rings. Nevertheless, the machine still offers the advantage of being able to run at variable speed within a pre-defined speed range with a frequency converter designed to run at reduced power (approx. 33% of the total output of the machine). In addition, as a result of its operating principle, the machine demonstrates a lower nominal speed than is typically seen with asynchronous machines, which is also of benefit for wind power and hydropower applications. Thanks to these properties, the investment costs associated with the electrical system for a potential plan can be significantly reduced when compared with designs involving full-scale converters.

KaskaEE – Die Kaskadenmaschine als Generator für Erneuerbare Energien

Themengebiet:

Elektrische Maschinen und Antriebe

Stichworte:
  • Innovative Topologien elektrischer Maschinen
  • Erneuerbare Energien (Wasserkraft)
  • Drehzahlvariables Systemkonzept mit geringem Frequenzumrichteraufwand
Beschreibung

Der Ausbau der erneuerbaren Energien im Zuge der Energiewende erfordert  unter anderem neuartige und verbesserte Generatorkonzepte. Die Kaskadenmaschine ist eine solche innovative Maschine, welche eine große Ähnlichkeit zur doppeltgespeisten Asynchronmaschine mit Schleifringläufer aufweist. Die Kaskadenmaschine wird ebenfalls doppelt gespeist, jedoch durch zwei seperate Statorwicklungssysteme, wodurch keine wartungsanfälligen Schleifringe benötigt werden. Trotzdem bleibt der Vorteil bestehen, dass die Maschine mit einem reduziert ausgelegten Frequenzumrichter (ca. 33 % der Maschinengesamtleistung) drehzahlvariabel über einen vorgegebenen Drehzahlbereich betrieben werden kann. Weiterhin weist die Maschine pinzipbedingt eine kleinere Nenndrehzahl als typische Asynchronmaschinen auf, was sich ebenfalls vorteilhaft für Wind- und Wasserkraftanwendungen eignet. Durch diese Eigenschaften können die Investitionskosten im elektrischen System einer potentiellen Anlage im Vergleich zu Konzepten mit Vollumrichter deutlich gesenkt werden.

Subject area:

Energy-efficient electric drive system and machine designs

Description:

The MeViSys project is expanding the range of vibration measurement technology available at Nuremberg Tech to include a 3D scanning laser vibrometer, which includes a rotational vibrometer. Such measuring equipment is essential to the verification of simulation models that have been developed to investigate the vibration and noise characteristics of electrical machines. Using these models, the energy efficiency of electrical machines can be increased and their vibration load reduced. It is also possible to improve the noise characteristics. The MeViSys project contributes to knowledge transfer and allows small and medium-sized enterprises in particular to access high-precision measurement technology.

Contacts

Armin Dietz Armin Dietz
Prof. Dr.-Ing.
Themengebiet:

Energieeffiziente Elektrische Antriebs- und Maschinenkonzepte

Beschreibung:

Das Projekt MeViSys erweitert die Schwingungsmesstechnik der Ohm um ein 3D-Scanning Laservibrometer inklusive Rotationsvibrometer. Diese Messgeräte sind elementarer Bestandteil der Verifizierung von Simulationsmodellen, die zur Untersuchung des Schwingungs- und Geräuschverhaltens elektrischer Maschinen entwickelt werden. Mithilfe dieser Modelle kann die Energieeffizienz von elektrischen Maschinen gesteigert und ihre Schwingungsbelastung verringert werden. Zudem ist es möglich, das Geräuschverhalten zu verbessern. Das Projekt MeViSys trägt zum Wissenstransfer bei und ermöglicht insbesondere kleinen- und mittleren Unternehmen den Zugang zu hochpräziser Messtechnik.

Ansprechpartner

Armin Dietz Armin Dietz
Prof. Dr.-Ing.
MIKA research project, page 1
Subject area:
  • Model-based system optimization
  • Mechatronic systems
  • Embedded systems
Description:

The continually growing demands being made in terms of small-scale propulsion technology, coupled with the growing market in this field, make it necessary to continually enhance performance, efficiency, and flexibility. The aim of the MIKA research project is to increase energy efficiency and dynamics by looking at the drive system as a whole and to develop and test ways of implementing new optimization criteria through the use of smart and model-based predictive control methods (MPC) in an industrial setting.

 

 

One subproject within the research project makes use of the “HyperBus Memory Controller IP”, which has been kindly made available to us by our partner Synaptic Laboratories LTD ( https://synaptic-labs.force.com/s/ ).

Mika Forschungsprojekt Seite 1
Themengebiet:
  • Modellbasierte Systemoptimierung
  • Mechatronische Systeme
  • Embedded Systems
Beschreibung:

Die kontinuierlich zunehmenden Anforderungen an die Kleinantriebstechnik sowie der stark wachsende Markt in diesem Bereich erfordert eine zunehmende Steigerung der Performance, der Effizienz und der Flexibilität. Im Forschungsvorhaben MIKA soll durch die ganzheitliche Betrachtung des Antriebssystems die Steigerungen der Energieeffizienz und Dynamik sowie die Berücksichtigung neuer Optimierungskriterien durch intelligente und modellbasierte prädiktive Regelungsmethoden (MPC) im industriellen Umfeld entwickelt und erprobt werden.

 

 

Das Forschungsprojekt setzt in einem Teilprojekt den „HyperBus Memory Controller IP“ ein, welcher uns freundlicherweise durch unseren Partner Synaptic Laboratories LTD ( https://synaptic-labs.force.com/s/ ) zur Verfügung gestellt wird.

 

VerInA - Ummagnetisierungsverluste in hartmagnetischen Werkstoffen hochdynamischer Industrieantriebe

Themengebiet:

Elektrische Maschinen und Antriebe

Stichworte:
  • Berechnung elektrischer Maschinen
  • Verlustbestimmung
  • Permanenterregte Synchronmaschine
Beschreibung:

Zur Erregung des Rotor-Magnetfeldes in permanenterregten Synchronmaschinen wird von den Elektromaschinenbauern zunehmend auf Neodym-Eisen-Bohr-Magnete (NdFeB-Magnete) zurückgegriffen, da diese eine äußerst hohe Energiedichte vorweisen können. Nachteilig haben NdFeB-Magnete die Eigenschaft einer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit, die aufgrund von Wirbelstromausbildungen, als Folge von Wicklungs- und Nutungsoberfeldern im Luftspalt, im Magnetmaterial zu hohen Verlusten führen kann. Die Verluste führen zur Erwärmung der Magnete. Unter ungünstigen Bedingungen kann es hierbei zur irreversiblen Entmagnetisierung der Magnete und damit zur Zerstörung der elektrischen Maschine kommen.

Die Berechnung der Verluste in den Magneten ist ein dreidimensionales Feldproblem. Die 3D-Finite-Element-Methode (3D-FEM) bietet grundsätzlich die Möglichkeit, ein derartiges Problem abzubilden. Eine Variation der geometrischen Verhältnisse ist jedoch aufwendig, die Rechnung sehr zeit- und kostenintensiv und daher für industrielle Unternehmen unattraktiv. Ziel des Forschungsvorhabens ist deshalb die Entwicklung eines (semi-)analytischen Berechnungsmodells, um die Verluste in den Magneten bereits während der Auslegungsphase der elektrischen Maschine approximativ bestimmen zu können.