Forschungsthemen

Synchronreluktanzmaschinen bieten eine interessante Alternative für bestimmte industrielle Anwendungen zu Asynchronmaschinen oder permanentmagneterregten Synchronmaschinen. Sie zeichnen sich durch ihre hohe Energieeffizienzklasse IE4 sowie einen permanentmagnetfreien Rotor aus. Zudem ermöglicht die Rotorgeometrie testsignalbasierte lagegeberlose Regelung, da sie eine hohe magnetische Asymmetrie aufweist. Diese Eigenschaft macht sie sehr interessant für die Erforschung lagegeberloser Regelverfahren sowohl aus Gründen der Redundanz als auch als Alternative zu einem Lagegeber. Die Herausforderung bei der feldorientierten Regelung von Synchronreluktanzmaschinen besteht darin, das hochgradig nichtlineare Systemverhalten in einer Zwei-Freiheitsgrade-Stromregelung mit modelbasierten dynamischen Vorsteuerung mit einem exakt zustandslinearisierenden Stellgesetz, sowie adaptiven PI-Folgereglern adäquat zu berücksichtigen. Das gilt in besonderer Weise für den lagegeberlosen Betrieb. Hier muss ein geeigneter Kompromiss zwischen Bandbreite und Stabilität gefunden werden, damit ein dynamisches und robustes Regelverhalten erreicht wird. Dies kann im unteren Drehzahlbereich durch arbeitspunktabhängige Amplituden der hochfrequenten Testsignale mit geeigneter Frequenz, sowie eine Minimierung von Totzeiten im gesamten Regelkreis erreicht werden.

In production lines in factories there can be up to several hundreds of specific production machines, like machine tools and robots, used for handling and joining operations. Thus, improvements in the motion of each machine axis may have a huge impact on equipment utilization and energy consumption, which are directly related to the electrical and mechanical losses that occur during the motion of the axes in the electrical machines and drives.

In a path-planning problem, an electrical drive system finds out how to navigate from point A to point B without colliding with obstacles and walls in the shortest possible way and amount of time. In order that the axes follow a reliable trajectory with the least energy consumed and that satisfies the boundaries of the motion and the path, it is desired to model the losses and examine the frequency and current behaviour of the electrical machines and drives. Searching for analytical methods and control laws which lead to the most energy efficient path due to acceleration and deceleration phases of the different axes and with respect to the maximum velocity and acceleration limitations, will lead to this goal.

Als Alternative zum konventionellen Zweipunktstromrichter existieren verschiedene Mehrpunkt-Stromrichtertopologien. In diesem Forschungsprojekt sollen dabei insb. Dreipunkstromrichter mit Neutralpunktklemmung (Three-Level Neutral Point Clamped inverter) für die Anwendung im Niederspannungsbereich untersucht werden. Die Themenschwerpunkte sind dabei die Modellierung, Ansteuerung und Regelung von Dreipunktstromrichtern, wobei der Fokus auf modellprädiktive Regelverfahren gelegt wird.

The flux focusing type double stator and single rotor (DSSR) AFPM is investigated for direct-drive applications. Due to the disc-type structure of this machine, two or more than two disc structures are possible, therefore, it provides the possibility of various AFPM topologies. The different AFPM topologies are compared and analyzed using the 3D FEA. The flux focusing type DSSR AFPM consumes a less amount of permanent magnets (PMs), has a high torque density and more space for the PM placement. The stator winding analysis is carried out to decide the suitable slot-pole combinations. Parametric optimization is utilized to improve the electromagnetic torque and the back EMF, and also to reduce torque ripple, cogging torque and THD.

Die Leistungsfähigkeit elektrischer Maschinen für die lagegeberlose Regelung lässt sich durch das Aufbringen kurzgeschlossener Wicklungen auf dem Rotor verbessern. Nach erfolgter analytischer Evaluierung des Konzeptes erfolgte die Simulation auf Basis eines Finite-Elemente Modells. Die Performance des Konzepts soll am Prüfstand für verschiedene Varianten einzelzahnbewickelter, permanenterregter, elektrischer Maschinen untersucht werden.

Als Alternative zu konventionellen Antrieben werden beim genannten Maschinentyp Hartferritmagnete benutzt. Diese sind deutlich kostengünstiger als die häufig verwendeten Seltenen-Erden-Magnete und erhöhen den Leistungsfaktor und die Effizienz einer Synchronreluktanzmaschine. Der Maschinentyp weist weiterhin eine hohe magnetische Anisotropie auf, die für die lagegeberlose Regelung bei niedrigen Drehzahlen genutzt werden kann. Die Themenschwerpunkte sind hierbei Entwurf, Modellierung sowie Implementierung einer lagegeberlosen Regelung im gesamten Drehzahlbereich.

Für Anwendungen die eine niedrige Drehzahl und ein hohes Drehmoment erfordern, werden elektrische Maschinen oft mit mechanischen Getrieben gekoppelt. Um die Nachteile der mechanischen Kopplung zu umgehen, kann eine magnetische Übersetzung in die Maschine eingebracht werden. In diesem Forschungsprojekt werden verschiedene Topologien solcher Maschinen und deren Auslegungskriterien untersucht.

Die rechtzeitige Erkennung von Fehlerzuständen ist ein wichtiges und viel beforschtes Thema. Häufig werden dazu Strom- oder auch Vibrationssignale verwendet. Sofern die zu überwachende Maschine nicht an einem Antriebsumrichter betrieben wird, ist in beiden Fälle eine direkte Montage der Sensoren im oder am Antriebssystem notwendig. Da dies nicht immer möglich ist, wäre eine berührungslose Überwachung des Antriebssystems mit Hilfe von akustischen Mitteln wünschenswert.

In den letzten Jahrzehnten waren Leistungsmodule aufgrund ihrer optimalen Leistung und Erfüllung der Anforderungen in vielen Anwendungen, die dominierende Verpackungsmethode für Leistungshalbleiter. Mit den steigenden Anforderungen an die Leistungshalbleitermodule bei höheren Leistungsdichten, der Integration mehrerer Halbleiterbauelemente in einem Gehäuse und der gleichzeitigen Verringerung des Modulvolumens aufgrund von Anwendungseinschränkungen ist das Konzept der Bauelementezuverlässigkeit in den Leistungshalbleitermodulen jedoch zum limitierenden Faktor geworden. Die Verwendung von thermischen Messungen zur Verfolgung der altersbedingten Veränderungen in den Leistungsmodulen könnte als Maßnahme zur genauen Erkennung und Lokalisierung der Fehler in den Leistungsmodulen verwendet werden.

Die einfachsten Erklärungen für ferromagnetisches Materialverhalten beruhen auf der Rotation, Ausrichtung und Interaktion von magnetischen Dipolen (Elementarmagneten). Dieses Konzept wird unter anderem auch bei der mikroskopischen Beschreibung des Verhaltens von Speichermedien erfolgreich angewandt. Der hierfür verwendete Gleichungssatz wird allgemein als die „Gleichungen des Mikromagnetismus“ bezeichnet. In einem am Lehrstuhl laufenden Forschungsprojekt werden diese Gleichungen mit geeigneten Modifikationen auf die makroskopische Betrachtungsebene skaliert. Ziel hierbei ist es, das ferromagnetische Verhalten größerer Strukturen, wie z.B. einer Ringkernprobe zu beschreiben und vorherzusagen.

In order to gain electrical machines with an improved performance, an optimized design according to the needed characteristics of the customers will be achieved by an optimal configuration as a solution of  a multi level, multi objective and highly nonlinear optimization problem, which is always a challenge for research and industry communities.

Parameter or geometric optimization is a common way in optimization of the active parts of an electrical machines. In this method only the geometric boundaries of the shape will be optimized. On the other hand, topology or structural optimization is suggested in this research for the electromagnetic design of electrical machines. This method is well known in the field of mechanical engineering, but there is an open space in electrical engineering to improve the machine’s structure using this method. In topology optimization, the geometry can be changed microscopically and almost unrestrictedly, instead of only varying macroscopic parameters like height or width of a component.

Global and local optimization methods will be applied on the discretized design area of the active parts of the electrical machines.

Motoren mit selbsttragenden Wicklungen – auch Glockenankermotoren genannt – zeichnen sich durch eine geringe Rotorträgheit und damit auch durch eine hohe Dynamik aus. Bei der Modellierung dieses Maschinentyps ergeben sich jedoch zwei Schwierigkeiten. Zum einen sind viele der Wicklungstopologien analytisch nur schwer beschreibbar, zum anderen handelt es sich bei einer Gleichstrommaschine um ein zeitlich veränderliches, dynamisches Netzwerk. Zur Beschreibung der Wicklung wurde ein Modell entwickelt, welches die Wicklung in einzelne diskrete Elemente zerlegt. Mit Hilfe dieses Discrete-Elements-Modells lassen sich alle relevanten Größen wie z.B. Drehmoment- und Induzierte Spannung für eine beliebige Wicklungstopologie berechnen. Gekoppelt mit einem zeitlich variablen Netzwerk lässt sich das dynamische Verhalten einer Gleichstrommaschine mit selbsttragenden Wicklung beschreiben.

Die flussschaltende Maschine ist in ihrer dreiphasigen Ausführung ein relativ neuartiger Maschinentyp, bei dem auf Basis von Flussmodulation und Flusskonzentration vermutlich bessere Betriebseigenschaften als bei konventionellen Wechselstrommaschinen erreicht werden können. Die Forschung am Lehrstuhl bezieht sich auf die Aspekte der analytischen Modellierung, der numerischen Berechnung und der Optimierung der Maschine. Numerische Untersuchungen an diesem Maschinentyp beziehen sich auf die Aufstellung, Berechnung und Auswertung von Finite Elemente Modellen unterschiedlicher Maschinenvarianten. Die Optimierung der Maschinen wird durch die Anwendung existierender und angepasster Verfahren bewerkstelligt.