Inno­va­tive An­triebs­maschi­nen für die Elek­tro­mobi­li­tät

Die Forschung in der Elektro­mobilität startete in den letzten Jahren durch, Wissen­schaftle­rinnen und Wissen­schaftler entwickeln immer neuere und effizientere Technologien für die ökologisch nachhaltigen Fahrzeuge. Mit der Energie­wende wird die Nachfrage nach umwelt­freund­lichen Lösungen in allen Bereichen der Technik immer größer. Ob die Zukunft auf dem Mobili­täts­markt der Elektro­mobilität gehört, entscheidet sich an der Ent­wicklung effizien­terer und zugleich sicherer Systeme.

Das Forschungs­projekt der TH Nürnberg gewähr­leistet störungs­freien Betrieb von Elektro­motoren (Bild: THN, S. Köhler)

Bernhard Wagner, Professor an der Fakultät Elektro-, Feinwerk- und Infor­mations­technik der TH Nürnberg, forscht mit seinem Team an der Opti­mierung von Schätzungs­methoden des Rotor­zustands für einen in der Elektro­mobilität sehr interes­santen Motor­typen, der fremd­erregten Synchron­maschine. Das Haupt­ziel des Projekts ist es, den störungs­freien Betrieb von Elektro­motoren sicherzu­stellen – ein wichtiger Erfolgs­faktor für die Weiter­entwicklung der Elektro­mobilität. In seinem Projekt „Rotor­zustands­schätzung für fremd­erregte Synchron­maschinen“ ent­wickelt Wagner mit seinem Team dazu neue techno­logische Ansätze.

In der Elektromobilität werden derzeit vor allem permanent­erregte Synchron­maschinen oder Asynchron­maschinen einge­setzt. Beide Antriebs­konzepte weisen Vor- und Nach­teile auf: Die permanent­erregten Synchron­maschinen haben eine hohe Leistungs­dichte und einen günstigen Wirkungs­grad. Sie benötigen jedoch auf­wändige Elek­tronik, um Aus­fälle zu verhindern, und Seltene-Erde-Magnete, die sehr teuer und endlich in ihrer Verfüg­barkeit sind.

Die Asynchronmaschinen sind sehr robust, sicher im Betrieb und enthalten keine seltenen Erden. Aller­dings weisen ihr Wirkungs­grad und ihre Leistungs­dichte ein ungüns­tigeres Profil auf als die permanent­erregten Synchron­maschinen. „Ich arbeite seit einigen Jahren am opti­mierten Betrieb von fremd­erregten Synchron­maschinen, um so den Weg für eine inno­vative und zukunfts­orientierte Elektro­mobilität zu öffnen“, so Wagner. Fremd­erregte Synchron­maschinen kommen ohne Seltene-Erden-Magnete aus, mit einem hohen Wirkungs­grad verbinden sie die Vorteile der bereits bekannten Antriebs­konzepte.

Bei fremderregten Synchron­maschinen erfolgt die Energie­übertragung üblicher­weise mittels eines Schleif­ring­systems auf den Rotor, wodurch es zu mecha­nischem Verschleiß und durch den entste­henden Abrieb im Luft­spalt zu Hochvolt-Isolations­problemen kommen kann. Der Schleif­ring ist deshalb einer der größten Nach­teile dieses interes­santen Motortyps. In dem im Jahr 2016 erfolg­reich abgeschlos­senen Forschungs-Verbund­projekt Forelmo, an dem die TH Nürnberg beteiligt war, wurde bereits ein kontakt­loses Energie­über­tragungs­system entwickelt, das diese Nach­teile der fremd­erregten Synchron­maschinen erfolg­reich beseitigt. Durch das kontakt­lose System können die Wissen­schaftle­rinnen und Wissen­schaftler den Rotor­strom aller­dings nicht direkt messen. „Wir nutzen mathematische Modelle und Berechnungs­verfahren, um den Rotor­strom und den Rotor­wider­stand aus anderen Mess­größen zu schätzen“, fasst Wagner den neuen techno­logischen Ansatz zusammen.

Die Kenntnis über den Rotor­widerstand gibt Aufschluss über die Wärme­entwicklung im Rotor und dient damit als Kenn­größe für den Über­hitzungs­schutz. Mit einer noch präzi­seren Aussage über den Rotor­wider­stand lässt sich die fremd­erregte Synchron­maschine effek­tiver nutzen, bei einem längeren Betrieb mit höherer Leis­tungs­fähig­keit ohne Über­hitzung.

„Die Verbesserungen der Schätzmethode sind ein weiterer Fortschritt, der die Attrak­tivität der fremd­erregten Synchron­maschinen für die Auto­mobil­branche erhöht. Dies kann dazu beitragen, die Wett­bewerbs­fähigkeit der deutschen Auto­mobil­industrie zu steigern“, erklärt Wagner.

Die Optimierung der Rotor­zustands­schätzung ist ein neuer Forschungs­ansatz im hoch kompeti­tiven Forschungs­feld der Elektro­mobilität. Die Entwick­lung inno­vativer und effi­zienter Antriebs­maschinen für Elektro­motoren spielt eine große Rolle bei der Energie­wende und im Klima­schutz. Das Projekt der TH Nürnberg leistet dafür einen wichtigen Beitrag und wird von der Staedtler-Stiftung mit 40.000 Euro gefördert. (Quelle: THN)

Link: Verkehr-, Logistik- und Mobilitäts-Forschungsschwerpunkte und -projekte der Fakultät Elektrotechnik Feinwerktechnik Informationstechnik „efi“, Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm

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