FAKULTÄT FÜR ELEKTROTECHNIK

UND INFORMATIONSTECHNIK

Entwicklung eines 3 in1 reversiblen Hybridmotors, der als autonome Verbrennungsmotor (gasförmige, vorzüglich Wasserstoff), E-Motor sowie Generator betrieben werden kann. Kern der Forschung liegt in der Entwicklung einer Helixförmigen Rotationseinheit, die eine Funktionalität als Verbrennungs-Elektromotors sowie Generator gewährleisten kann. Eine einfache Konstruktion von einen beweglichen zylindrische Helicoidkolben zwischen zwei unbeweglichen Zylinderköpfe erlaubt unumkehrbaren rotierenden und damit effektiven Betrieb. Eine Kurbelwellen- und ventilloser Konstruktion mit nur fünf Hauptbestandteile sichert eine geringere Masse des Motors und hohe Leistungsdichte. Dank der zylindrischen Form aller mechanischen Teile, ist eine Entwicklung des Motors als E-Motor und Generator gegeben. Der elektrische Teil kann direkt in Konstruktion implementiert werden bzw. von außen angedockt werden. Konstruktion erlaubt eines Skalierbarkeit des Motors wodurch unterschiedliche Leistungsspektren abgedeckt werden können.

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Vertikalachsige Turbinen sind eine flächeneffiziente Technologie zur nachhaltigen Nutzung von Gezeitenströmungen. Die vertikale Drehachse sorgt allerdings zu einem dynamischen Strömungsabriss, der die Effizienz der Turbinen herabsetzt und im schlimmsten Fall zu Materialversagen durch Ermüdungsbrüche führen kann. In die Schaufeln integrierte Antriebe sollen dafür sorgen, dass sich die Turbinenschaufeln während jeder Umdrehung optimal an die Strömung anpassen, in dem die Schaufel gepitcht wird. Ein dynamischer Strömungsabriss kann so verhindert werden. Das führt zu einer höheren Effizienz bei geringeren Strukturbelastungen und das Selbsstartverhalten der Turbine kann verbessert werden. Zur Ermittlung einer optimierten Regelung der Pitchfunktion werden experimentelle Hardwarebasierte Optimierungsmethoden mit numerischen Methoden kombiniert.
Das Projekt ist eine internationale Kooperation des Instituts für Strömungstechnik und Thermodynamik und des Instituts für Elektrische Energiesysteme der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg mit dem Institut für Maschinenbau der Hochschule Magdeburg-Stendal und dem Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels der Université Grenoble-Alpes.

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Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines permanent erregten Synchronmotors für Kleinantriebe (im Bereich von 10 W bis 1 kW) in einer sehr einfachen konstruktiven Ausführung, um den Herstellungsaufwand gegenüber gängigen Motoren zu reduzieren. Es ist zu erwarten, dass die Produktionszeit bzw. -schritte um ca. 30 % reduziert werden. Gleichzeitig sollen der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte vergleichbar mit dem Stand der Technik sein oder diesen sogar übertreffen. Die Lösungsmethode basiert auf einer speziellen Motorausführung mit drei Steckspulen und einem neuartigen, spritzgegossenen Rotor auf Basis eines magnetischen Verbundwerkstoffes (bspw. isotropes Neodym), welcher über ein äußeres Magnetfeld bereits während des Einspritzvorgangs teil- bzw. vollständig magnetisiert wird. Anders als bei bisherigen Ansätzen mit ähnlichen Spulenausführungen bleibt hier nur ein geringes Rastmoment von ca. 2 % bestehen. Die neue Motorausführung erlaubt daher einen flexiblen und günstigen Produktionsprozess und ist für verschiedenste Nutzer von kompakten Elektromotoren, beispielsweise in der Medizintechnik oder der Automobilindustrie, von großem Interesse.

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Bei der Bewertung von Wasserkraftanlagen (WKA) werden zuvor gefangene Wildfische den Kraftwerksturbinen zugeführt und nach erfolgtem Abstieg die Mortalität sowie Anzahl und Schwere der Verletzungen festgestellt.
In Deutschland wurden in den vergangenen drei Jahren > 460.000 Versuchstiere für die Untersuchung des Fischabstiegs an WKA genutzt.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, Fischversuche zur Evaluierung der Schädigung von Fischen bei der Passage von Turbinen und anderen Abstiegskorridoren an Kraftwerken zu reduzieren und sie durch Modelle zur Schädigungsprognose mit Daten von teilautonomen Robotersystemen und numerische Simulationen zu ergänzen und langfristig komplett zu ersetzen.

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Bei der Bewertung von Wasserkraftanlagen (WKA) werden zuvor gefangene Wildfische den Kraftwerksturbinen zugeführt und nach erfolgtem Abstieg die Mortalität sowie Anzahl und Schwere der Verletzungen festgestellt.
In Deutschland wurden in den vergangenen drei Jahren > 460.000 Versuchstiere für die Untersuchung des Fischabstiegs an WKA genutzt.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, Fischversuche zur Evaluierung der Schädigung von Fischen bei der Passage von Turbinen und anderen Abstiegskorridoren an Kraftwerken zu reduzieren und sie durch Modelle zur Schädigungsprognose mit Daten von teilautonomen Robotersystemen und numerische Simulationen zu ergänzen und langfristig komplett zu ersetzen.

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Das beantragte Vorhaben ordnet sich in den Komplex der Entwicklung von elektrischen getriebelosen Direktan-trieben für Anwendungen im Maschinenbau ein. Das Ziel ist die Entwicklung eines direkt angetriebenen Ringsegmentgenerators für hohe Drehmomente und niedrige Drehzahlen als Energiewandler an einem Klappschaufelwasserrad.

Eine Besonderheit dieser Maschinenkonstruktion ist die zweiphasige Ausführung, die aus der doppelseitigen Nutzung der Rotorscheibe resultiert und mit der ein hoher Wirkungsgrad bei sehr niedrigen Drehzahlen erzielt werden kann. Diese Generatorkonstruktion ist besonders als modularer und hocheffizienter direkt angetriebener Energiewandler für Wasserkraftanlagen geeignet. Für diesen Anwendungsbereich sind am Markt derzeit keine Standardmaschinen verfügbar.

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Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung von der Batterie hin zum Motor ist besonders relevant, um die begrenzten Energiereserven im Elektrofahrzeug optimal ausnutzen und damit die Reichweite steigern zu können. Um den ganzheitlichen Ansatz zu verwirklichen,arbeitet das Projekt an Verbesserungen in drei Bereichen: Energiespeicher, Motor und Zusammenspiel aller elektrischen Komponenten. Mit der Speicherung der immer wieder kurzzeitig auftretenden Bremsenergie in einem Superkondensator,statt wie bisher üblich in der Lithium-Batterie, werden Leistungsverluste vermieden und die Zahl der Ladezyklen verringert. Zusätzlich werden Spannungswandler und E-Motor mit neuartigen Regelungsverfahren optimal aufeinander abgestimmt, um weitere Energieverluste zu minimieren. Durchneue Mess- und Simulationsverfahren werden die genannten elektronischen Komponenten integriert, um eine gegenseitige Beeinflussung und Störgrößen im laufenden Betrieb zu minimieren.

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In einer Kooperation zwischen dem Lehrstuhl für "Elektrischen Maschinen" und dem Lehrstuhl für "Energiewandlungssysteme für Mobile Anwendungen" ist ein direktangetriebener Freikolbenmotor entwickelt worden. Hierbei ist die Besonderheit, dass die 4 Takte nicht mit einer Drehbewegung der Kurbelwelle sondern mit einer Linearbewegung einer Stange die direkt an einem Kolben verbunden ist erzeugt wird. Diese Bewegung ist möglich in dem eine linear wirkende elektrische Maschine in drei Takten als Motor arbeitet und in einem Takt als Generator. Die Loslösung von der Kurbelwelle ergibt einen neuen Freiheitsgrad der Regelung von Verbrennungsmaschinen. Dieser Versuchsstand dient somit dazu, Untersuchungen an dem Einfluss des Kolbenhubs auf dem Verbrennungsprozess durch zu führen.

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Störfälle in Windkraftgeneratoren können hohe Kosten verursachen. Gleichzeitig, sind regelmäßige Inspektionen und Wartungsarbeiten durch die schwierige Zugänglichkeit sehr kostenintensiv. Aus diesem Grund werden Methoden zur Fehlerfrüherkennung und -diagnose erforscht, die während des Betriebes und ohne Personaleinsatz vor Ort durchführbar sind. Dafür erweisen sich die auf Signaleinprägung basierenden Methoden als vielversprechend.
Die Partnergruppen haben sich als Ziel gesetzt, die Fehlererkennung und Signaleinprägung als eine einheitliche Funktion und unter Einsatz einheitlicher Verfahren zu untersuchen. Aufgrund der sich gegenseitig ergänzenden Kompetenzen beider Gruppen und der Gemeinsamkeiten beider Forschungsschwerpunkte wird ein hoher wissenschaftlicher Mehrwert bezüglich der Kooperation erwartet. Es sollen somit neue Methoden zur Überwachung, Fehlerfrüherkennung und -diagnose von Generatoren in Windkraftanlagen entstehen.
Ein weiteres Ziel ist die nicht invasive Umsetzung dieser Methoden. Das heißt es wird erforscht, wie die Fehler diagnostiziert werden können, ohne dass es einen direkten Anschluss am Generator gibt und ohne das Steuer- bzw. Regelsystem zu ändern.

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Ziele beim Entwurf elektrischer Antriebe sind hohe Momentendichte, Zuverlässigkeit und Wirkungsgrad, niedrige Kosten und gute Eigenschaften bei der Bewegungsregelung. Die Forschung und Entwicklung von elektrischen Antrieben ist in den meisten Fällen zweigeteilt. Auf der einen Seite steht der Entwurf der elektrischen Maschine und auf der anderen die Regelung und die Leistungselektronik.

Die üblichen Ansätze zur Regelung von elektrischen Maschinen gehen von einer Standardmaschine aus. Die Maschine wiederum wird für einen Standardregelverfahren ausgelegt. Die Auslegung der elektrischen Maschine und die Auslegung des Regelalgorithums erfolgt meistens durch unabhängige Arbeitsgruppen.
Im Fall von permanent erregten Synchronmaschinen (PSM) wird die Maschine üblicherweise so ausgelegt, dass man eine sinusförmige elektromotorische Kraft (EMK) erhält. Es wird von der Annahme ausgegangen, dass die Regelung die Maschine mit einem sinusförmigen Strom versorgt. Der Regler auf der anderen Seite wird für einen sinusförmigen Strom ausgelegt, da davon ausgegangen wird, dass die EMK der Maschine sinusförmig ist. Durch diesen Ansatz erhält man ein glattes Drehmoment. Dieses schränkt jedoch den Entwurf der Maschine ein und nutzt weder das ganze Potential der Leistungselektronik noch das der Regelung.
Wenn der Entwurf der Maschine und die Regelung zusammenhängend durchgeführt werden, können bessere Systemeigenschaften erreicht werden, als wenn der Entwurf getrennt von der Regelung erfolgt. Daraus ergibt sich ein sehr großes Potential einfachere, aber zugleich auch effiziente Antriebssysteme zu entwickeln. Dieser Ansatz wurde bisher nur sehr selten untersucht und wird in diesem Antrag abgedeckt.
Die Untersuchungen richten sich auf Maschinen, die mit nicht sinusförmiger EMK entworfen werden. Diese Maschinen werden in Kombination mit einem Dreiphasen-Vierdraht Umrichter betrieben, d.h. mit Anschluss des Neutralleiters und einer nicht sinusförmigen Koordinatentransformation für die Regelung. Mit dem Ziel ein einfacheres Antriebssystem ohne Positionssensor zu erhalten, werden auch Verfahren der geberlosen Regelung untersucht. Da die Genauigkeit der geberlosen Verfahren besonders von den Eigenschaften der Maschine abhängt, werden Methoden zur Maschinenauslegung hinsichtlich der Verbesserung der Fähigkeit geberloser Verfahren untersucht.

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Ziel des Projekts ist verschiedene Betriebsstrategien beim Betrieb von Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine zu vergleichen und die Vor- und Nachteile aufzudecken. Des Weiteren werden neue Funktionen für Hybridantriebe entwickelt welche zur Optimierung der Leistungsbereitstellung beitragen können. Es soll im Weiteren auf elektrische Stellglieder für Verbrennungsmotoren eingegangen, Optimierungen im Bereich der Leistungselektronik und bei der Regelung des elektrischen Antriebs durchgeführt werden. Am Ende wird ein neues Antriebskonzept, die direkte Kopplung von Freikolbenmotor mit einem Lineargenerator / -Motor, realisiert.

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Für die Regelung elektrischer Maschinen werden Bauelemente wie Mikrocontroller (µC), digitale Signalprozessoren (DSP) oder Field Programmable Gate Arrays (FPGA) eingesetzt. Heutzutage übertreffen meistens diese Bauelemente die Rechenleistung, die für die hauptsächlichen Regelungsaufgaben der Maschine erforderlich sind. Die hohe verfügbare Rechenleistung erlaubt die Einsetzung neuer Funktionalitäten, die zu einer Minderung des Kostenaufwands und zur Verbesserung der Leistung führen. Unter diesen Funktionalitäten können die sensorlose Lage- und Geschwindigkeitsermittlung sowie die Fehlerdiagnose hervorhoben werden.

Die sensorlose Lage- und Geschwindigkeitsermittlung ermöglicht es, dass die mechanischen Geber für die Regelung der Asynchronmaschinen ausgelassen werden können (sensorlose Regelung), womit die Störanfälligkeit und der Kostenaufwand reduziert werden kann. Die Diagnose von inzipienten Fehlern verhindert höhere Reparaturkosten und Ausfälle oder größere Schäden an der Produktionsanlage, in der die Maschine eingesetzt ist.
In der Literatur werden die genannten Funktionalitäten in der Regel getrennt behandelt, wobei beide von den gleichen Methoden und Modellen profitieren können. Daher werden von einer gemeinsamen Behandlung höherwertigere Forschungsergebnisse erwartet.
Der Antragsteller hat neue Methoden zur Verbesserung der Leistung in der sensorlosen Lage- und Geschwindigkeitsermittlung entwickelt. Der Kooperationspartner hat neue Methoden für die Fehlerdiagnose entwickelt. Beide Gruppen haben gegenseitig ergänzende Erfahrungen in der Forschung von elektrischen Maschinen. Eine Zusammenarbeit beider Gruppen ermöglicht einen gesteigerten Nutzen, aus den komplementären Kenntnissen beim Ansatz einer gemeinsamen Betrachtung der sensorlosen Lagermittlung und der Fehlerdiagnose.

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Der Kooperationspartner produziert Gebläse im Leistungsbereich von 1 bis 3 kW bei Drehzahlen bis zu 30000U/min. Als Antriebsmotor wird gegenwärtig ein einphasiger Reluktanzmotor eingesetzt, der sich durch einen einfachen Aufbau, Robustheit und geringe Kosten auszeichnet. Prinzipbedingt müssen mit diesen Vorteilen jedoch auch wesentliche Nachteile in Kauf genommen werden, die sich insbesondere im Entstehen von erheblichen Oberwellenmomenten und Geräuschen sowie Anlauf- und Erwärmungsproblemen äußern. Diese Probleme lassen sich mit leistungselektronischen Mitteln durch die Wahl optimaler Pulsmuster in bestimmten Grenzen reduzieren. Durch das Wirkprinzip des einphasigen Reluktanzmotors sind diesen Maßnahmen jedoch enge Grenzen gesetzt, die eine spürbare Verbesserung des Betriebsverhaltens nicht erwarten lassen. Wesentlich bessere Eigenschaften hinsichtlich seines Anlaufverhaltens und seiner Rüttelmomente und damit auch der Erwärmung lassen sich mit mehrphasiger Ausführung, angepasster Motorgeometrie und optimalen Pulsmustern erreichen. Am Reluktanzprinzip soll auf Grund seiner Einfachheit und Robustheit aber festgehalten werden.

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Die Position bzw. die Lage ist eine wichtige Rückführgröße für geregelte elektrische Antriebe. Normalerweise werden hierfür Lagegeber eingesetzt. Sie sind aber ein aufwendiger Bestandteil des Antriebes. Der Lagegeber und die entsprechende Signalübertragung zum Regler sind auch die Ursache für eine erhöhte Störanfälligkeit des Antriebes. In einige Anwendungen kann es auch vorkommen, dass rauen Umgebungsbedingungen den Einsatz von Lagegebern verhindern. Die Lage des Motorläufers kann aber auch indirekt über die Messung nur elektrischer Größen, z.B. Phasenspannung und/oder Phasenstrom, ermittelt werden. Diese Methode wird als sensorlose oder lagegeberlose Regelung bezeichnet. Die lagergeberlose Regelung wird schon seit zwei Jahrzehnten in der wissenschaftlichen Literatur behandelt, wurde aber bislang kaum von der Industrie umgesetzt. Der dadurch entstehende Forschungsbedarf bezieht sich besonders auf eine höhere Genauigkeit, Dynamik und Parameterunabhängigkeit, besonders im unteren Geschwindigkeits- und Stillstandbereich.

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