Aktuelle Forschungsarbeiten

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.

Ansprechpartner

Lukas Rabenstein Lukas Rabenstein
M.Sc.

 

 

DATA∙e∙Pump

Das Projekt DATA▪e▪Pump ist ein Projekt der Forschungsgruppe Automatisierungstechnik am Nuremberg Campus of Technology in Kooperation mit dem Institut ELSYS. DATA▪e▪Pump wird von der EU im Rahmen des Programms EFRE gefördert.

 

Motivation: 

  • Pumpenantriebe machen ca. ein Drittel der über elektrischen Antriebe verbrauchten Energie aus,
  • aber Antrieb und Pumpe arbeiten häufig nicht im optimalen Betriebspunkt,
  • zudem sind insbesondere bei vorhandenen Anlagen die  Parameter für eine Antriebsoptimierung nicht bekannt.

Ziele: 

  • Identifikation des Betriebszustandes über die Antriebssteuerung bzw. die statischen und dynamischen elektrischen Betriebsdaten
  • Einfache Auswahl des passenden Antriebssystems
  • (Teil-) Autonome Selbstoptimierung des Einzelantriebs

Lösungsansatz:

  • Kombination von modellbasieren Algorithmen für Antrieb und Pumpenanlage 
  • mit robusten Parameterschätzungen auf Basis der einfach vor Ort erfassbaren Daten (Leistungsschilddaten etc. ) und 
  • Auswertung der messtechnisch erfassbaren Betriebsdaten der Antriebskomponenten.

 

Für diese Aufgabe entwickeln wir die DATAeBOX zur Analyse der aktuellen Anlagensituation und einer Empfehlung für den sinnvollen Einsatz von drehzahlveränderbaren Antrieben. 

Darauf aufbauend bzw. darin integrierbar ermittelt das Softwaretool PumpFIT die Anlagenkonfiguration, die nach dem aktuellen Stand der Technik zu einer optimalen Energieeffizienz führt.

Für die Überprüfung der entwickelten Geräte und Programme nutzen wir ein skalierbares Versuchskonzept:

  • ein digitaler „Pumpen-Zwilling“ PumpTWIN als rein elektrischer Prüfstand, an dem ein Pumpenantrieb möglichst realitätsnah simuliert wird (ELSYS)
  • ein mobiler Versuchsstand mit realen Pumpen und Anlagenkomponenten im Labormaßstab, der für Messungen und Schulungen genutzt werden kann (NCT)
  • zwei Versuchsanlagen im Betriebsmaßstab im Turbinenlabor (MB) und Wasserbaulabor (IWWN) der TH Nürnberg

Im Rahmen von DATA▪e▪Pump findet ein Technologietransfer in vorwiegend mittelständische Unternehmen der Metropolregion Nürnberg statt. Die Zielgruppen sind Betreiber, Automatisierungstechniker, Systemintegratoren, Pumpen- und Systemhersteller, aber auch Dienstleister wie z. B. kommunale Wasserversorger, die mit verbesserten Pumpensystemen ihre Preise trotz steigender Kosten stabil halten können.

Ansprechpartner

Georg Möller Georg Möller
Dr.-Ing.

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

Themengebiet:

Energieeffiziente Elektrische Antriebs- und Maschinenkonzepte

Beschreibung:

Das Projekt MeViSys erweitert die Schwingungsmesstechnik der TH Nürnberg 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.

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.

Ansprechpartner

Sebastian Wendel Sebastian Wendel
M.Sc.
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

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.

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.

Ansprechpartner

Abgeschlossene Forschungsarbeiten

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.

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.