Elektrische Antriebstechnik

Forschungsprojekte

Auf dieser Seite werden abgeschlossene und laufende Forschungsprojekte des Fachgebiets kurz vorgestellt.

Datengetriebene Auslegung von elektrischen Antrieben

  • Zielsetzung:
    • Entwurfsprozess beschleunigt und effizienter dank datengetriebenen Ansatz
    • Speicherung von Erfahrungswerten und Entwurfsdaten in einer Datenbank, mit der eine künstliche Intelligenz (KI) antrainiert wird
    • KI übernimmt die Auslegung der Maschine, basierend auf den Simulationsdaten in der Datenbank
    • Im Fokus steht dabei insbesondere die Skalierbarkeit der Datenbank

Getriebelose Maschine für Kleinwindkraftanlagen

  • Ausgangspunkt: An der TU Berlin patentierte einphasige Klauenpolmaschine kleiner Leistung nach dem Transversalflussprinzip (Zahnpolmaschine)
  • Zielsetzung:
    • Erhöhung der Leistung auf 500 W und der Polpaarzahl auf 12
    • Einfache kostengünstige Serienproduktion einer dreiphasigen Variante
    • Eckdaten: 5,2 Nm, 1100 U/min, Volumen ~1 Liter, 90 % Wirkungsgrad
    • Außenläufer für kompakte Bauweise
  • Die Ausgangsmaschine wird dreiphasig durch Kopplung in dreifacher Ausführung
  • Die Maschine besteht aus radial gewickelten Ringspulen, die sich jeweils zwischen zwei Zahnpolscheiben mit 12 Polpaaren befindet
  • Da die Wicklung nur aus einfachen Ringspulen besteht, ist die Fertigung besonders einfach und kostengünstig
  • Zahnpolscheiben innen und außen sowie Distanzscheiben bestehen aus Soft Magnetic Composites (SMC) zur dreidimensionalen Flussführung ohne Wirbelstromverluste

Additive Fertigung von Permanentmagneten

  • „3D-Drucken“ von Permanentmagneten (Fused Deposition Modeling und Cold Spray)
  • Anisotropieerzeugung während des Herstellungsprozesses, dadurch sind sehr hohe Feldstärken erforderlich > 1 T
  • Erweiterung der Fertigungsanlage unter Berücksichtigung von Bauraum und Temperaturmanagement
  • Hybridlösung mit Permanentmagneten und Elektromagneten
    • Bis 1 T mittels Halbach-Anordnung
    • Magnetisierungsspulen für Steigerung über 1 T
  • Sicherstellung von Ausrichtung und räumlicher Amplitude des Magnetfeldes

Einsatz von drahtgewickelten Werkstoffen bei Transversalflussmaschinen

  • Transversalflussmaschine als Antriebsersatz in einem E-Roller
    • Verzicht auf Getriebe
    • Hohes Dauerdrehmoment bei hohem Wirkungsgrad
  • Neuartige Fertigung mit Eisendraht statt Blechen:
    • Deutliche Verbesserung der dreidimensionalen Flussführung
    • Verringerung der Wirbelstromverluste
    • Steigerung des Leistungsfaktors
    • Hohe Überlegenheit gegenüber SMC (Soft Magnetic Composite)

 

Neuartiges Wickelkopfdesign unter Anwendung additiver Fertigungsverfahren

  • Neuartige Fertigungsverfahren ermöglichen innovatives Wickelkopfdesign für Großmaschinen
  • Wickelkopfdesign unter Anwendung des Cold-Spray-Verfahrens (CSAM), bei dem Kupferpulver auf ein Isolationsmaterial aufgetragen wird
  • Zielsetzung:
    • Reduktion der axialen Länge des Wickelkopfes
    • Einsparung von Isolationsmaterial
    • Erhöhung der Wickelkopfstabilität und Lebensdauer
  • Langfristige Ziele:
    • Automatisierte Wickelkopffertigung
    • Komponenten austauschbar

Nadelwickeln mit modifizierten Wickelkappen

  • Modifiziertes Nadelwickeln (Keine Bewegung der Nadel im Zahnzwischenraum erforderlich, Positionierung des Drahts mittels speziell angepasster Wickelkappen)
    • Füllfaktor ähnlich Linearwickeln
    • Luftspalt klein durch Vollstator
  • Durch angepasste Wickelkappen kann die Nadel ohne Abspringen des Drahtes innerhalb des Stators bewegt werden
  • Erfolgreiche Anwendung bei einem Motor für elektrische Servolenkung (Golf 7, …)
  • Referenz: Stator-Ø 86 mm, 12 Einzelzähne, Draht-Ø 1,4 mm, Füllfaktor: mech. 50 %, el. 35 %
  • Modifizierte Bewicklung: Vollstator, gleiche Stator- und Draht-Ø, gleicher Füllfaktor, vergrößerter Wickelkopf
  • Optional: Weichmagnetische Wickelkappen (SMC)

Warmwickeln

  • Draht wird im laufenden Prozess direkt vor der Bewicklung erwärmt
    • Verwendung einer Induktionsspule (900 kHz)
    • Begrenzung der Temperatur durch Isolation
  • Nutzung von thermischen Effekten
    • Herabgesetzte Festigkeit (bei 150 °C ca. 91 %)
    • Thermische Ausdehnung / Schrumpfung während / nach Bewicklung
  • Verschiedene Vorteile
    • Reduzierung des Drahtzugs um bis zu 20 % (bei stark plastischen Prozessen wie Nadelwickeln)
    • Reduzierter Hohlraum unter der Wicklung (bessere Wärmeabfuhr)
    • Nutzung für Direkt-Verbacken denkbar

Direktkontaktierte & faltbare Leistungselektronik

  • Erhöhte Integration durch:
    • Kontaktierung der Drähte direkt auf die Leiterplatte durch Hartlöten
    • Wegfall des Verschaltrings spart Kosten & Bauraum
    • Integration des Drehzahlsensors in Leiterplatte und Verkürzung der Welle
    • Kühlung über Lagerendschild
       
  • Robustes Design
     
  • Reduzierte Gesamtlänge (hier: 10 %)
     
  • Bauteile sind so gewählt, dass auch ein 48 V Aufbau realisiert werden kann

Messung der Qualität von vergrabenen Magneten während der Magnetisierung

  • Kooperationsprojekt mit der Firma M-Pulse

  • Aufbau eines 13,5 kJ Magnetisierers mit verstellbarem Hochleistungswiderstand für variable negative Halbschwingung + Rotorscan-System

  • Integrierte Prüfung der Magnetisierungs- / und Entmagnetisierungs-Eigenschaften in der Serienfertigung

Iterativ lernende Regelung zur Vermessung weichmagnetischer Proben

Ziel des Projektes war, eine Vermessung von weichmagnetischen Ringkernen nach DIN EN 60404-6 Norm zu ermöglichen. Der grundlegende Aufbau ist ein unbelasteter Transformator mit entsprechendem Ringkern, welcher neben der Induktivität real auch einen Leitungswiderstand und zusätzlich einen Messwiderstand aufweist. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, muss wahlweise der Strom durch den Primärkreis oder die induzierte Spannung am Sekundärkreis sinusförmig eingestellt werden. Diese Größen sind proportional , bzw. Integral verknüpft zur magentischen Feldstärke, bzw. Flussdichte. Die Induktivität der Anordnung ist bedingt durch die Materialeigenschaft stark nichtlinear. Dadurch lässt sich durch eine sinusförmige Eingangsgröße weder ein sinusförmiger Strom, noch eine sinusförmige Sekundärspannung einstellen.
Deswegen wurde eine iterativ lernende Regelung (ILC) implementiert. Dabei werden durch die Nichtlinearität entstehende Harmonische durch Einbringung selber Harmonischer im Eingangssignal ausgeregelt. Die grundlegende P-type ILC wurde durch eine Kompensation der Phasenverschiebung und einer Nullphasenfilterung durch eine Fouriertransformation erweitert, um eine stabilere Regelung zu gewährleisten. Um etwaige Gleichanteile zu unterdrücken wurde außerdem ein ebenfalls iterativ arbeitender DC-Stromregler implementiert.
Das GIF zeigt beispielhaft den Verlauf einer Stromregelung bei 100 Hz. Die Umsetzung der Regelung erfolgte auf Echtzeitplatformen der Firma dSpace.

Hochdynamischer Batterieemulator

  • Eine schaltende Last erzeugt Stromoberschwingungen mit Frequenzanteilen oberhalb von 100 Hz. Diese können von verfügbaren Batterie-Emulatoren nicht entsprechend der Batterieimpedanz emuliert werden.
  • Die Serienschaltung mit einem dynamischen Stromrichter ermöglicht eine Bandbreite von über 10 kHz für die Impedanzemulation.
  • Der simulierte Emulator verhält sich annähernd identisch zu einer Batterie