Abgeschlossene Forschungsarbeiten

Entwicklung eines innovativen Querstromfahrtwindgebläses mit einer Ausblasgeschwindigkeit von 180 km/h, angetrieben durch einen optimierten Synchronreluktanzmotor

Fachbereich: Elektrische Antriebe

Themengebiet

  • Motorenauslegung
  • Maschinenberechnung
  • Analytische Simulation
  • FEM-Simulationen
  • Mechanische Konstruktion 

Themabeschreibung:

Prinzipieller Aufbau eines Rollenprüfstandes
Schnitt einer Synchronreluktanzmaschine

Für Fahrsimulationen an KFZ-Prüfständen werden Fahrtwindgebläse eingesetzt, um den Einfluss von entstehendem Fahrtwind auf das Fahrzeug zu simulieren. Einsatzgebiete sind Abgasprüfungen, Rollenprüfstände oder Klimakammertests. Dabei ersetzt das Fahrtwindgebläse den fehlen-den Fahrtwind bei Leistungsprüfständen und Fahrsimulationen, der erzeugte Fahrtwind wird auf den Fahrzeugkühler und unter das Fahrzeug geleitet. Hierdurch wird der kühlende Effekt des Fahrtwindes auf die Motortemperatur der geprüften Fahrzeuge simuliert. Aktuelle Fahrtwindgebläse erreichen aufgrund der beengten Platzverhältnisse und limitierter Auslassquerschnitte in den Fahrzeugprüfständen, nur eine simulierte Geschwindigkeit von maximal 160 km/h, wobei eine Simulation der Fahrtwindgeschwindigkeit von 180 km/h dringend benötigt wird, um hierdurch den Einfluss höherer Fahrgeschwindigkeiten auf das Fahrzeug und einzelner Komponenten simulieren zu können. Für den Antrieb des Querstromfahrtwindgebläses werden aktuell Asynchronmotoren verwendet. Zum Erreichen einer höheren Energieeffizienz wird im Projekt der Einsatz einer Synchronreluktanzmaschine favorisiert

2D FEM Schnitt einer Synchronreluktanzmaschine

Projektziele:

Hauptziel des Kooperationsprojektes SynchronBlow ist die Entwicklung eines Querstromfahrtwindgebläses mit einer Ausblasgeschwindigkeit von 180 km/h bei einer sehr kompakten Bauform durch den Einsatz eines innovativen und optimierten Synchronreluktanzmotors. Die Entwicklung des neuen Querstromfahrtwindgebläses übernimmt dabei der Projektpartner WMB. Für den Synchronreluktanzmotor wird ein optimierter Stator und Rotor sowie der Gesamtaufbau entwickelt, um die Drehzahl von 1800 1/min bei einer gleichzeitigen Steigerung des Wirkungsgrades zu erreichen. Die mechanische Auslegung, fertigungstechnische Umsetzung sowie Untersuchungen zum Schwingungsverhalten des Synchronreluktanzmotors obliegt dem Projektpartner BEN Buchele. An der Technischen Hochschule Nürnberg erfolgt die elektromagnetische Auslegung und Berechnung der Synchronreluktanzmaschine sowie eine Optimierung auf die geforderten Zielgrößen mit Hilfe des institutseigenen Berechnungsprogramms MatMax für elektrische Maschinen. Dabei erfolgt sowohl eine analytische Berechnung unter Verwendung von Reluktanznetzwerken, als auch der Einsatz von numerischer FEM zur gezielten Optimierung.

Projektpartner:

Mit dem Projekt einher geht die enge Kooperation mit Projektpartnern aus Industrie und Forschung. Im Fall von SynchronBlow besteht diese Kooperation aus der WMB Ventilatoren GmbH, als Hersteller von Querstromfahrtwindgebläsen, der BEN Buchele Elektromotorenwerke GmbH, als Hersteller von elektrischen Antrieben und der Technischen Hochschule Nürnberg.

Ansprechpartner

Name Kontakt
Michael Schmidt Michael Schmidt
M.Eng.
Armin Dietz Armin Dietz
Prof. Dr.-Ing.

Entwicklung eines netzdienlichen Photovoltaik-Speicher-Systems unter Einsatz von Ultrakondensatoren

Fachbereich: Embedded Systems

Themengebiet

  • Regelungstechnik
  • Energiespeicher
  • Erneuerbare Energien

Beschreibung

Die Photovoltaik (PV) ist naturbedingt von starken Leistungsfluktuationen im Bereich von Sekunden bis Minuten betroffen. Ursache hierfür ist vor allem die zeitweise Verschattung der PV-Module durch Wolkenbewegungen. Mit steigendem Anteil von Photovoltaik am Energiemix können diese schnellen Leistungsfluktuationen Probleme für die Netzstabilität darstellen.

Gemessener Leistungsverlauf einer PV-Anlage an einem Tag mit besonders großen Einstrahlungsfluktuationen durch Wolkenbewegungen

Im Projekt NetPVStore wird ein Photovoltaik-Speicher-System aus kommerziell verfügbaren Photovoltaik-Modulen und darauf angepassten ultraschnellen elektrischen Kurzzeitspeichern (Ultrakondensatoren) entwickelt. Mit diesem System sollen auftretende Leistungsfluktuationen im Bereich von Sekunden bis Minuten deutlich geglättet werden, damit die erneuerbaren Energien in netzdienlicher Qualität bereitgestellt werden können. Andere Effekte, wie „radiation enhancement“, d.h. die lokale Überhöhung einfallender solarer Intensität durch Streuung an Wolken, die aktuell eine Überdimensionierung der Systemkomponenten erfordern, werden ebenfalls durch dieses System gedämpft, wodurch eine Reduktion von Investitionen ermöglicht wird.

Verlauf der PV-Leistung P-PV, der ins Netz eingespeisten geglätteten Leistung P-Out sowie die dem für Kurzzeitspeicher für die Leistungsglättung zu- bzw. abgeführte Leistung P-EDLC

Neben einer direkten Integration der stabilisierten solaren elektrischen Leistung in das öffentliche Netz ist auch eine Kombination mit einem Langzeitspeicher möglich. In diesem Fall wird der Langzeitspeicher aufgrund der regelbaren Abgabe der elektrischen Energie über den Kurzzeitspeicher mit nahezu konstanter Leistung deutlich schonender be- und entladen. Hierdurch lässt sich sowohl die Dimension des Langzeitspeichers verringern als auch das Speichermanagement vereinfachen, was insgesamt zu einer Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems führt.

Das neue Photovoltaik-Speicher-System besteht aus Photovoltaikmodulen sowie darauf angepassten ultraschnellen Kurzzeitspeichern sowie Leistungselektronik mit entsprechender Regelungstechnik. Dabei wird beim System auf eine energieeffiziente Betriebsweise sowie eine leichte bedarfsgerechte Skalierung auf verschiedene Dimensionen geachtet. Nach einer Entwicklungs- und Optimierungsphase auf Laborebene, in der verschiedene System-Topologien und Strategien für das Energiemanagement sowie die Regelung des Systems erprobt werden, soll das neue System in Form einer Demonstratoranlage im Netz installiert und in einer einjährigen Monitoringphase unter Realbedingungen bewertet werden.

Das Institut für leistungselektronische Systeme (ELSYS) ist im Projekt für die Entwicklung der Steuersoftware des Photovoltaik-Speicher-Systems zuständig und erforscht dabei verschiedene Regelungsalgorithmen sowie das Energiemanagement des Kurzzeitspeichers.

Projektpartner

  • Center for Applied Energy Research – CAE
  • Institut für leistungselektronische Systeme ELSYS, TH-Nürnberg
  • Sunset Energietechnik GmbH
  • Skeleton Technologies
  • DHG Engineering GmbH
  • Unterfränkische Überlandzentrale eG

Ansprechpartner

Name Kontakt
Josef Knoblach Josef Knoblach
M.Eng.
Armin Dietz Armin Dietz
Prof. Dr.-Ing.

Effiziente elektrische Flugmotoren mit hohem Drehmoment

Außenläufermotor Q-150 der Firma Hacker Motor GmbH

Projektbeschreibung

Innerhalb der letzten Jahre ist der Bestand an privaten und kommerziellen Drohnen enorm angestiegen, was die Entwicklung und Erweiterung der Einsatzgebiete von elektrisierten Luftfahrzeugen antreibt. Damit steigen die technischen Anforderungen an deren Antriebsmotoren hinsichtlich Effizienz, Lautstärke und Drehmomentdichte. Aus diesem Grund beschäftigt sich das ZIM-Forschungsprojekt HighTorqCraft mit der Entwicklung eines langsam drehenden, effizienten und drehmomentstarken Außenläufermotors für (un)bemannte Luftfahrzeuge. Für die Akzeptanz von kommerziellen Drohnen in urbanen Gebieten ist die emittierte Lautstärke der Propellerantriebe von Bedeutung, die mit der Antriebsdrehzahl ansteigt. Deshalb ist als Ziel des Forschungsprojekts ein langsam drehender Antrieb mit einer Nenndrehzahl von weniger als 2000 rpm gefordert. Als Ausgangssituation wird der Außenläufermotor Q-150 des Kooperationspartners Hacker Motor GmbH verwendet.nnerhalb der letzten Jahre ist der Bestand an privaten und kommerziellen Drohnen enorm angestiegen, was die Entwicklung und Erweiterung der Einsatzgebiete von elektrisierten Luftfahrzeugen antreibt. Damit steigen die technischen Anforderungen an deren Antriebsmotoren hinsichtlich Effizienz, Lautstärke und Drehmomentdichte. Aus diesem Grund beschäftigt sich das ZIM-Forschungsprojekt HighTorqCraft mit der Entwicklung eines langsam drehenden, effizienten und drehmomentstarken Außenläufermotors für (un)bemannte Luftfahrzeuge. Für die Akzeptanz von kommerziellen Drohnen in urbanen Gebieten ist die emittierte Lautstärke der Propellerantriebe von Bedeutung, die mit der Antriebsdrehzahl ansteigt. Deshalb ist als Ziel des Forschungsprojekts ein langsam drehender Antrieb mit einer Nenndrehzahl von weniger als 2000 rpm gefordert. Als Ausgangssituation wird der Außenläufermotor Q-150 des Kooperationspartners Hacker Motor GmbH verwendet. 

Methoden

 Zur Effizienzsteigerung wird die Implementierung einer kombinierten Wicklung untersucht, um Stromwärme- und Oberwellenverluste zu reduzieren. Oberwellen werden ebenfalls gezielt mithilfe von PoleShaping, also der Veränderung der Rotoroberflächenkontur, unterdrückt. Die Steigerung der Drehmomentdichte erfolgt unter der Betrachtung verschiedener Magnet-Anordnungen im Rotor. Mit innenliegenden Magneten und Flussbarrieren kann ein Reluktanzeffekt erzeugt werden, der die Ausnutzung eines zusätzlichen Drehmomentanteils ermöglicht. Damit kann die Drehmomentdichte des Motors gesteigert werden.  Zusätzlich wird das Kühlungssystem optimiert und die Verwendung von verschiedenen weichmagnetischen Werkstoffen und Fertigungseinflüssen untersucht, um den optimierten Antriebsmotor zu realisieren.

Zur Umsetzung dieser Ziele wird das institutseigene Motorberechnungsprogramm MatMax für Außenläufermotoren mit innenliegenden Magneten und kombinierte Wicklungen erweitert. Mit dem Einsatz von numerischen Optimierungsalgorithmen können die Performance, Effizienz und Drehmomentdichte verbessert werden. 

Projektpartner

Ansprechpartner

InnoProSys - Technologietransfer innovativer Produkte und Systeme

Dieses Projekt wird aus Mitteln des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert. 

 

Das Vorhaben hat den Transfer von neuen Technologien aus den Laboren des NCT in neue innovative Produkte und Systeme von kleinen und mittleren Unternehmen aus der Region zum Ziel. Der Wandel der Energietechnik hin zu einer nachhaltigeren Versorgung von Gebäuden und Prozessen mit Strom, Wärme und Kälte schafft Marktchancen für Unternehmen die den Bedarf mit neuen, intelligenten Produkten adressieren wollen.

Durch die ständig steigende Komplexität der Energieversorgung nehmen aber die Anforderungen an versorgungstechnische Produkte wie Speicher, Wärmepumpen, Stromwandler und Erzeuger immer weiter zu. Damit steigt das Risiko bei der Entwicklung insbesondere bei den Firmen, die keine oder nur geringe eigene Versuchskapazitäten haben und heute noch keine hochspezialisierten Simulationsmethoden einsetzen.

Hier setzt dieses Vorhaben an: Firmen mit Produktideen wird der Zugang zu Laboreinrichtungen erleichtert und die Möglichkeit zum Wissenstransfer in theoretischen und praktisch orientierten Seminaren geboten.

>> weitere Informationen zum Forschungsprojekt

Ansprechpartner

EnCN² -Energieeffiziente Antriebe mit Mehrphasenmaschinen

Themengebiet

Elektrische Maschinen und Antriebe

Stichworte
  • Mehrphasenmaschine
  • Energieeffizienz
Beschreibung

Antriebe mit Niederspannungsmaschinen im höheren Leistungsbereich werden zum Teil aufgrund der hohen Leistungen und Ströme mit mehreren parallelgeschalteten Frequenzumrichtern realisiert, nach dem derzeitigen Stand der Technik jedoch ohne Phasenversatz. Durch Anpassen der Ansteuerung der Umrichter und Modifikation der Wicklung kann eine dreisträngige Maschine auch mehrsträngig ausgeführt werden. Eine einfachere Wicklungsauslegung, besseres Betriebsverhalten, geringere Verluste und somit eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz können erreicht werden. Als Ergebnis dieses EnCN²-Forschungsprojektes stehen allgemeingültige Berechnungsansätze für mehrsträngige Induktionsmaschinen sowie geeignete Ansteuerkonzepte und -verfahren von Standardindustrieumrichtern zur Verfügung, mit denen mehrphasige Induktionsantriebe methodisch ausgelegt und optimiert werden können.

Ansprechpartner

Aktive Schwingungsdämpfung von elektrischen Maschinen auf elastischen Stahlrahmenfundamenten

Fachbereich: Mechatronische Systeme

Themengebiet

  • Aktive Schwingungsdämpfung
  • Mechatronische Systeme
  • FEM-Simulationen
  • Experimentelle Modalanalysen
Bild 1: Campbelldiagramm einer 2 Megawatt Maschine auf starrem und elastischem Fundament

Beschreibung

Die kostengünstige und robuste Asynchronmaschine ist im industriellen Bereich in sehr vielen Anwendungen anzutreffen – von wenigen Kilowatt bis in den Megawattbereich. Aus Gründen der Effizienz und der günstigen Leistungselektronik, ist in den letzten Jahrzehnten ein Trend, weg vom Netzbetrieb und hin zum Umrichterbetrieb, zu  erkennen.

Zudem ist es Stand der Technik, Motoren direkt mit der Lastmaschine auf einen gemeinsamen Fundamentrahmen zu montieren und dem Kunden als kosteneffizientes Gesamtprodukt anzubieten. Durch die produktspezifischen Eigenschaften, wie Art und Einsatzumgebung, zusammen mit den Elastizitäten des gewählten Fundaments beim Kunden, variiert die Struktur und es müssen aufgrund des Schwingungsverhaltens Drehzahlbereiche gesperrt werden.

So zeigt das nebenstehende Campbell-Diagramm (Bild 1) die Problematik der genormten Auslegung von elektrischen Maschinen für ein starres Fundament im Vergleich zu einer Aufstellung auf einem kundenspezifischen Fundamentrahmen.

Bild 2: Prüfstandsaufbau (Stand: 11.2023)

Der Projektprüfstand am Institut (ADAM-1)

Das am Institut ELSYS entwickelte Aktuatorsystem ist ein aussichtsreiches aktives System, welches es ermöglichen soll, elastisch aufgestellte Maschinen auch in Drehzahlen zu betreiben, die aufgrund von Schwingungsresonanzen normalerweise nicht angefahren werden dürfen. Das System sitzt zwischen einem elastischen Stahlrahmenfundament und einem 2-poligen Asynchronmotor, welcher über einen Frequenzumrichter in seiner Drehzahl frei geregelt werden kann (Bild 2).

Die bisherigen Ergebnisse aus Simulation und Experiment lassen eine positive Bewertung der Systemfrage zu. 

Publikationen hierzu finden Sie weiter unten.

Video Schwingungsmessung (ungeregelt / geregelt - Start durch anklicken!)

Demonstration - was kann das Aktuatorsystem?

Das nebenstehende Video zeigt einen kurzen Ausschnitt einer Schwingungsmessung am Prüfstand, bei der der Motor mit erhöhter Passfederunwucht im stationären Betriebspunkt bei ca. 1630 1/min betrieben wird. Bei dieser Drehzahl regt der Rotor eine Eigenfrequenz des Systems (bestehend aus elastischem Stahlrahmenfundament, Aktuatorsystem und Motor) an, bei der der Motor hauptsächlich eine translatorische Bewegung in vertikaler Richtung ausführt.

Ohne "aktive Regelung":

Wird der Motor ohne die aktive Regelung betrieben, zeigen Lagerschildschwingungen am "Drive End" sehr hohe Schwinggeschwindigkeiten von ca. 21 mm/s (ca. 15 mm/s rms). Diese hohen Schwingungsamplituden sind für den stationären Betrieb zu hoch und würden bei längerem Betrieb zu Beschädigungen an Motor und Aufbau führen.

Mit "aktiver Regelung":

Durch die Aktivierung der Regelung des Aktuatorsystems werden die Schwingungsamplituden innerhalb weniger als einer halben Sekunde auf ca. 5 mm/s  (ca. 3,5 mm/s rms) reduziert und somit ein zulässiger stationärer Betriebspunkt erreicht.

Fazit:

Die Demonstration zeigt, dass die aktive Einflussnahme und Reduzierung von Schwingungsamplituden möglich ist. Darüber hinaus (nicht im Video) ist es möglich, alle im Drehzahlstellbereich des Motors liegende Schwingformen zu beeinflussen und die Schwingungsamplituden so stark zu reduzieren, dass ein stationärer Betrieb bei allen Drehzahlen des Motors möglich ist.

Eine reine Rotation des Motors um seine Hochachse tritt, durch das entwickelte Aktuatorsystem, nicht mehr auf, sodass nur vertikal wirkende Aktivelemente eingesetzt werden können, die in der Folge zu einem kostengünstigen System führen und nur geringen Bauraum benötigt.

Weiterhin werden nicht nur die Schwingungen des Motors reduziert, sondern auch die des Fundamentes. Hierbei spielt die Ursache der Schwingung (ob z.B. durch Unwucht oder durch elektromagnetische Kräfte im Luftspalt der elektrischen Maschine) keine Rolle.

Bild 3: Skalierung des Aktuatorsystems nachdem die Machbarkeitsstudie 2022 sehr positiv ausfiel, auf einen Teststand (2-MW Asynchronmaschine, ca. 10 to Gewicht)

In anderen Dimensionen gedacht (ADAM-2)

Durch die positiven Erfahrungen im Projekt ADAM-1 wurde beschlossen, das Projekt (ADAM-2) fortzuführen und entsprechende Untersuchungen und Systemskalierungen für den schwingungsoptimierten Betrieb durchzuführen. Einen Einblick ins Projekt finden Sie im Online Seminar.

Bild 4: 2-polige Asynchronmaschine (2 MW, max. 3000 UPM) auf elastischem Stahlrahmenfundament mit gekuppelter Lastmaschine

Weiterer Erfolg in ADAM-2 zu verzeichnen

Aufgrund der positiven Ergebnisse am Versuchsprüfstand fiel die Entscheidung leicht das Projekt mit einer 2-poligen Asynchronmaschine der 2-MW-Klasse bei der Innomotics GmbH (ehemals Siemens AG) fortzuführen. So lässt sich nun zeigen, dass die Skalierung des grundlegenden Konzeptes der "Aktiven Schwingungsdämpfung von elektrischen Maschinen auf elastischen Stahlrahmenfundamenten" in eine ganz andere Dimension möglich ist.

Die anfänglichen Messungen mit verschiedenen mechanischen Aufstellungen mit und ohne Aktuatorsystem im ungekuppelten Zustand stellen eine breite Datenbasis bereit, die von experimentellen Modalanalysen über Schwingungsmessungen im Hochlauf bis hin zu FE-Berechnungen reichen. Nach diesen tiefgreifenden Untersuchungen wurde der Prüfling mit einer 2-MW Maschine gekuppelt und Messungen mit Nennmoment durchgeführt (siehe Bild 4). Der Prüflingsmotor steht hier zunächst auf massiven Stahlklötzen (zwischen den Motorfüssen und dem Stahlrahmen positioniert) um die Problematik der Drehzahlsperrbereiche aufzuzeigen und um die daraus folgende Notwendigket der Einflussnahme zu demonstrieren. Im nächsten Schritt wurden die Stahllkötze durch das Aktuatorsystem ersetzt und die Schwingungsmessungen im Hochlauf wiederholt.

Bild 5: Schwingungsmessungen eines 2-poligen Asynchronmotors (Pn =2000 kW, m = 9100 kg) gekuppelt mit Lastmaschine (Lastmoment = 6100 Nm) mit und ohne AVCS (Active Vibration Control System)

Ergebnisse der Schwingungsmessungen - keine Drehzahlsperrbereiche mehr ...

Die Durchführung von Schwingungsmessungen im Hochlauf mit langsamer Hochlauframpe ist eine gängige Methode um das Schwingungsverhalten drehzahlveränderlicher Antriebe zu untersuchen. Bild 5 zeigt die horizontalen Schwingungen an den Lagerschildenwährend des Hochlaufs (Schwinggeschwindigkeit (rms) über der Drehzahl) dreier Varianten.

  • Variante 1: Stahlklötze zwischen elastischem Stahlrahmen und Motor (Quasi der Standardfall in industriellen Anlagen, blaue Kurve)
  • Variante 2: Aktuatorsystem anstatt Stahlklötze - Regelung aus (orange Kurve)
  • Variante 3: Aktuatorsystem anstatt Stahlklötze - Regelung an (grüne Kurve)

Mit den Stahlklötzen müssen, wie in Bild 1 (Campbell-Diagramm) und Bild 5 zu sehen, Sperrbereiche im Drehzahlstellbereich der Maschine ausgewiesen werden, aufgrund der sehr scharfen Resonanzen. Ein Dauerbetrieb ist bei diesen Drehzahlen (bzw. in deren Nähe) dringend zu vermeiden. Variante 2 zeigt das Schwingungsverhalten beim Hochlauf mit eingebauten Aktuatorsystem, jedoch mit ausgeschalteter Regelung. Aus dem Vergleich von Variante 1 und Variante 2 lässt sich zeigen, dass Resonanzstellen verschoben werden und dass aufgrund des besonderen mechanischen Designs des Aktuatorsystems alle Schwingformen stärker gekoppelt sind und vertikale Motorfußbewegungen aufweisen.

Die Ergebnisse der Schwingungsmessungen im Hochlauf von Variante 3 (Regelung an), zeigen dass, obwohl nur vertikale Kräfte ins System eingeleitet werden, die Schwingungsamplituden aller Schwingformen im Drehzahlstellbereich stark reduziert werden und aufgrund der niedrigen Schwingwerte und der sehr guten Dämpfung, keine Drehzahlsperrbereiche mehr definiert werden müssen

Projektstruktur und Partnerschaften im Projekt ADAM

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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.

Contacts

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.

Ansprechpartner

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.
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/ ).

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.