Messung am Institut ELSYS

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

Richard Steckel Richard Steckel
M.Sc.

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.

Ansprechpartner

Tobias Gerlach Tobias Gerlach
M.Sc.

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.

Ansprechpartner

Sebastian Wendel Sebastian Wendel
M.Sc.

Kaskadenmaschine

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.

Ansprechpartner

Philipp Löhdefink Philipp Löhdefink

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.

Ansprechpartner

Tobias Gerlach Tobias Gerlach
M.Sc.

Abgeschlossene Forschungsarbeiten