Die elektrische Maschine

Die elektrische Maschine ist das wesentliche Element der elektrischen Energieversorgung und der Antriebstechnik. Hauptaufgaben sind die sichere, wirtschaftliche und umweltfreundliche Erzeugung elektrischer Energie, ihre verlustarme Umformung zur Weiterleitung und Verteilung und ihre nutzungsgerechte Anwendung in elektromotorischen Antrieben. Sie arbeitet in einem System der zentralen und dezentralen Energiewandlung. Man findet heute elektrische Maschinen als Generatoren in Kraftwerken und im Inselbetrieb, als Transformatoren und Umformer in elektrischen Anlagen und als Antriebsmotoren in Industrie, Gewerbe, Landwirtschaft, in der Büro- und Datentechnik, im Haushalt und in Konsumgütern, in Werkzeugmaschinen und Robotern, in elektrischen Bahnen, Kraftfahrzeugen und Schiffen sowie in Luft- und Raumfahrt. Dabei werden Leistungen im Bereich mW bis GW umgesetzt.

Die elektrische Maschine ist und bleibt auch künftig ein sehr bedeutendes und interessantes Gebiet für Forschung und Lehre.

Numerische Feldberechnung

Durch numerische Feldberechnung, je nach Anwendungsfall nach der Methode Finite Differenzen, Finite Elemente oder Boundery-Elemente, lassen sich sehr genaue Vorausberechnungen des magnetischen Feldes in elektrischen Maschinen ausführen. Dabei können beliebige Eisen-Luft-Stromdichte-Konfigurationen unter Berücksichtigung von Sättigung und Wirbelströmen 2- oder 3-dimensional berechnet werden. Softwarepakete mit Preprozessor zur Generierung des Gitternetzes, diversen Solvern für unterschiedliche Problemstellungen und Postprozessor zur Darstellung der Induktionsverläufe und Ermittlung von Reaktanzen und Kräften sowie spezielle eigenentwickelte Rechenprogramme für Erwärmungs-, Verformungs- und Geräuschberechnungen stehen zur Verfügung.
Die genaue Kenntnis des Verlaufs des magnetischen Feldes und der magnetischen Beanspruchungen in einer elektrischen Maschine ermöglicht eine Erhöhung der Stoffausnutzung und eine Verbesserung der Betriebseigenschaften. Es werden ruhende, rotierende und linear bewegte Anordnungen untersucht.

Simulationsverfahren

Die Simulation des dynamischen Verhaltens elektrischer Maschinen und die Untersuchung des Betriebsverhaltens bei nichtsinusförmigen Strömen oder Spannungen läßt sich für alle Maschinenarten auf dem Rechner durch numerische Integration der die Maschine beschreibenden Differentialgleichungssysteme in Zustandsform durchführen. Hierfür stehen eigenentwickelte Simulationsoberflächen sowie ein kommerzielles Softwarepaket zur Verfügung. Die Darstellung des zeitlichen Verlaufs der transformierten und realen Maschinengrößen liefert wertvolle Hinweise für die Auslegung. Zur vollständigen Systemanalyse werden auch Stromrichter und Regler mit in die Simulation einbezogen. Über die Feldberechnung können die für die Simulation erforderlichen nichtlinearen Kennlinien des magnetischen Kreises ermittelt werden. Die Kombination von Feldberechnung und numerischer Simulationstechnik liefert die vollständige Beschreibung der elektromagnetischen Vorgänge in einer elektrischen Maschine.

Einsatz von Umrichtern und Mikroprozessoren

Der drehzahlveränderbare Elektromotor kann heute nicht mehr isoliert betrachtet werden, sondern muß zusammen mit Umrichter und Regler einschließlich Sensoren und Meßwertverarbeitung als drehzahlveränderbares Antriebssystem behandelt werden. Die Leistungselektronik und die Regelung verhelfen einer elektrischen Maschine zu teilweise völlig neuen und besseren Betriebseigenschaften. Typische Beispiele sind die elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine, der Stromrichtersynchronmotor, die umrichtergespeiste Asynchronmaschine, der geschaltete Reluktanzmotor oder der Schrittmotor. Neue leistungfähige abschaltbare Leistungshalbleiter bzw. Hybridbausteine reduzieren den Aufwand für Umrichterschaltungen. Die fortschreitende Integrationsdichte ermöglicht bei Mikroprozessoren immer höhere Rechenleistungen und damit komfortablere Steuer- und Regelverfahren. Schnelle Signalprozessoren werden dabei eingesetzt. Hiermit eröffnen sich für die Antriebstechnik neue Anwendungsgebiete (drive, fly, steer by wire).

Neuartige Maschinen und Aktuatoren

Neben den klassischen elektrischen Maschinen, wie der Gleichstrom-, Asynchron- oder Synchronmaschine, sind in jüngerer Zeit durch neue geometrische Anordnungen der drehmomentbildenden Komponenten, Strombelag und Induktion in Verbindung mit entsprechenden elektronischen Steuerverfahren neuartige Bauformen entstanden, die insbesondere die einander widersprechenden Forderungen von niedrigem Gewicht und hohem Wirkungsgrad zu erfüllen suchen. Hierzu gehören der geschaltete Reluktanzmotor, die modulare Dauermagnetmaschine und das Transversalflußkonzept. Die Vor- und Nachteile, die konstruktiven Ausführungsmöglichkeiten, die unterschiedlichen Steuerverfahren und ihre Anwendungsmöglichkeiten müssen untersucht, verglichen und bewertet werden. Der Wegfall der Getriebeübersetzung durch Motoren hoher Kraftdichte ermöglicht höhere Dynamik und Genauigkeit. Spezielle lineare Aktuatoren können komplizierte Hebelmechanismen ersetzen und neue Einsatzgebiete erschließen.

Anwendung digitaler Regler, Identifikationsverfahren

Die vollständige Digitalisierung der Antriebstechnik hat mit der Ablösung der Gleichstromtechnik durch die Drehstromtechnik begonnen. Der zunehmende Einsatz von Mikroprozessoren zur Verarbeitung aufwendiger Rechenalgorithmen für die Motorsteuerung ermöglicht auch die Implementierung digitaler Regelkonzepte mit Zustandsregler und Beobachter. Zustandsregler haben gegenüber den klassischen Reglern den Vorteil, daß die Systemdynamik frei gewählt und mehrere Eingangsgrößen berücksichtigt werden können. Allerdings sind für Drehfeldmaschinen wegen der nichtlinearen Zusammenhänge besondere Implementierungskonzepte durch Kaskadierung des elektrischen und mechanischen Teils anzuwenden. Zur Erfassung von Maschinengrößen, die mit normalen Meßverfahren nicht ermittelt werden können, aber zur Regelung benötigt werden oder um aufwendige bzw. empfindliche Sensoren einzusparen, sind Identifikationsverfahren mit Luenberger-Beobachter oder Kalman-Filter zu einem sehr nützlichen Hilfsmittel geworden. Geeignete Anwendungsgebiete sind Drehzahl- und Läuferflußschätzung bei der Asynchronmaschine, bzw. Drehzahl- und Polradlageschätzung beim EC-Motor. Hierdurch wird sensorloser, feldorientierter Betrieb realisiert. Ebenso ist die Temperaturbeobachtung rotierender Maschinenwicklungen und die Identifikation der Drehzahl aus den Impulsen eines Inkrementalgebers mit beachtlicher Genauigkeit möglich. Die Identifikationsverfahren haben inzwischen einen so hohen Reifegrad erreicht, daß sie zur indirekten Lageregelung in Handhabungsgeräten einsetzbar sind. Die dabei benötigten hohen Rechenleistungen werden von schnellen Signalprozessoren bereitgestellt.

Neue Materialien und Technologien

Durch den Einsatz neuer Materialien und die Anwendung neuer Technologien können auch künftig noch weitere Fortschritte zur Verbesserung von Leistungsgewicht und Wirkungsgrad bei elektrischen Maschinen erreicht werden. Der Ersatz der elektrischen Felderregung durch Permanentmagnete ermöglicht insbesondere bei Kleinmaschinen geringeres Gewicht/ Volumen, höheren Wirkungsgrad und kleinere Zeitkonstanten. Eine breitere Anwendung und insbesondere eine Ausweitung auf höhere Leistungen ist durch energiereichere und temperaturstabilere Seltenerdmagnete zu erwarten. Hierfür werden geeignete Maschinenauslegungen berechnet. Der Einsatz von weichmagnetischen Verbund- und Sinterwerkstoffen sowie Feingußmaterialien anstelle von geblechten Eisenkörpern ermöglicht kostengünstige Fertigungsverfahren in Großserientechnik. Hierfür sind entsprechende Auslegungen vorzubereiten. Durch die Anwendung der Supraleitung im gleichstromführenden Erregerteil einer elektrischen Maschine und Verzicht auf ferromagnetische Materialien kann die Luftspaltinduktion und der Strombelag deutlich gesteigert werden. Vorteile sind höhere Maschinenausnutzung, größere Einheitsleistungen und besserer Wirkungsgrad. Nachteilig ist der hohe technologische Aufwand für die Kühlung der supraleitenden Wicklungen durch flüssiges Helium. Aussichtsreiche Einsatzgebiete aus heutiger Sicht sind Turbogeneratoren und Magnetschwebesysteme. Durch Hochtemperatursupraleiter könnte sich das Anwendungsspektrum deutlich vergrößern.

Servoantriebe für Werkzeugmaschinen und Roboter

Die Anforderungen an Dynamik und Genauigkeit bei Servoantrieben steigen ständig. Gleichstromantriebe werden durch bürstenlose Drehstromantriebe abgelöst. Hier hat sich der EC-Motor gegenüber der Asynchronmaschine durchgesetzt. Die Optimierung der Auslegung des permanentmagneterregten Läufers und die Entwicklung von Stromsteuerverfahren werden zur Steigerung der Momentenausbeute und zur Verbesserung der Gleichlaufeigenschaften genutzt. Die Verbesserung der Dynamik wird durch digitale Regelverfahren erreicht. Optimierungsuntersuchungen mit verschiedenen Magnetanordnungen im Rotor und Vorsteuerung verlaufen bisher erfolgreich. Kraftfahrzeugelektrik, Elektrofahrzeugmotoren Fahrmotoren für Elektrofahrzeuge sind nach besonderen Gesichtspunkten auszulegen. Insbesondere sind ein guter Wirkungsgrad und ein großer Feldschwächbereich wichtig. Auch hier wird sich künftig der Drehstromantrieb gegenüber der Gleichstrommaschine durchsetzen.
Bei feldorientiert betriebenen, streuarmen Asynchronkurzschlußläufermotoren und permanenterregten Synchronmotoren, die durch spezielle Rotorkonfiguration und Steuerverfahren mit hohem Feldschwächbereich gefahren werden können, wird zur Ausnutzungsverbesserung häufig eine Wassermantelkühlung angewandt.
Bis leistungsfähigere Traktionsbatterien entwickelt sind, stellt der Hybridantrieb mit einer im Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges integrierten elektrischen Schwungradmaschine als energiesparender emissionsreduzierter Antrieb im Stadtverkehr eine kurzfristige mögliche Zwischenstufe dar. Bei der elektrischen Motorenausrüstung für PKW ist das Problem der ausreichenden Stromversorgung bei ständig zunehmenden Verbraucherleistungen durch leistungsfähigere Generatoren und neue Bordnetzkonzepte zu lösen. Die dreidimensionale Feldberechnung an Klauenpolgeneratoren ermöglicht die Optimierung der Auslegung zur Erhöhung der Stromabgabe. Zur Reduzierung des Geräuschs und zur Verringerung der Verluste werden Kraftverläufe in der Ständerbohrung und Wirbelstromverteilungen in den Klauen berechnet.

Induktive Erwärmungsverfahren

Bei Induktionstiegelöfen kann mit Hilfe der numerischen Feldberechnung die Badbewegung und die Schmelzleistung ermittelt und daraus die Anordnung und Speisefrequenz der Spulen optimiert werden. Rechenprogramme für die Untersuchung von Mehrspulenanordnungen, doppelfrequenter Speisung und Wirkungsgradoptimierung wurden entwickelt.
Für induktive Banderwärmungsanlagen ist es möglich, über die Wirbelströme die Temperaturverteilung längs des bewegten Bandmaterials mittels FEM-Analyse zu berechnen. Hiermit können die Induktoren für unterschiedliche Bandmaterialien geeignet ausgelegt werden. Mittels Identifikationsverfahren kann beim Ofenbetrieb die Temperatur der Schmelze ermittelt und somit der Ofenprozeß bei unterschiedlichen Füllgraden optimal geführt werden. Die Methoden sind grundsätzlich erarbeitet und werden z.Zt. praktisch erprobt.

Lineare Antriebs-, Brems- und Magnetschwebesysteme

Linearmotoren erlauben bei der Umsetzung von Bewegungen durch Wegfall eines Getriebes oftmals mechanisch einfachere Lösungen für Stellantriebe. Der Transrapid verwendet die Kombination von synchronem Linearantrieb und Elektromagnetschwebetechnik. Wirbelstrombremsen sind bei Schnellbahnen als verschleißfreie Alternative zu mechanischen Bremssystemen anwendbar. Durch numerische Feldberechnung werden Auslegung und Funktion optimiert. Die Magnetschwebetechnik ist auch für den reibungsfreien und präzisen Transport von Teilen in der Montagetechnik einsetzbar. Hier ergibt die Synthese von elektrischer und permanentmagnetischer Erregung sowie die geeignete Kombination von Tragen, Antreiben und Führen neue Perspektiven für die Fördertechnik.

Berührungslose Energieübertragung

Sowohl bei Handhabungsgeräten als auch bei flexiblen Montagesystemen ermöglicht die induktive, berührungslose Energieübertragung mittels linearer oder rotierender Übertrager bei hohen Frequenzen den Verzicht auf Zuleitungen und damit neue Freiheitsgrade der konstruktiven Ausführung. Die Auslegung des magnetischen Kreises und das Zusammenwirken mit dem speisenden Stromrichter sind von Interesse. Auch für Elektrofahrzeuge ist die induktive Energieübertragung aus der Straße untersuchenswert, solange das Batterieproblem nicht gelöst ist. Mittels Elektrokabel als Primärteil eines Transformators im Fahrweg und einem magnetischen Kern als Sekundärteil im Fahrzeug ist bei geeigneter Dimensionierung und spurgeführtem Antrieb die induktive Übertragung ausreichender elektrischer Leistung für den elektrischen Fahrbetrieb möglich. Die elektromagnetische Auslegung des Übertragersystems und das Zusammenwirken mit dem stationären Speisegerät und dem Elektroantrieb werden untersucht.

Anwendung Neuronaler Netze, Fuzzy Control

Neuronale Netze sind mathematische Strukturen, die sich an der massiv parallelen Arbeitsweise des menschlichen Gehirns orientieren. Sie werden nicht programmiert, sondern lernen durch Back-Propagation anhand von Beispielen durch Interaktion mit der Umwelt. Neuronale Netze sind daher besonders für Klassifikations- und Identifikationsaufgaben auch bei komplexen Problemstellungen geeignet, weil sie nicht auf mathematisch beschreibbare Modelle zurückgreifen und ein hohes Maß an Fehlertoleranz gewähren. Mögliche Anwendungen sind z.B. die Optimierung von Reglern in der Antriebstechnik oder die Drehzahl- und Lageschätzung für sensorlos betriebene Motoren. Die Untersuchung von Einsatzmöglichkeiten bei elektrischen Maschinen erfolgt mittels Simulationstechniken. In der Fuzzy Logic werden mehrere unscharfe Begriffe durch logische Verknüpfungen zur Entscheidungsfindung verwendet. Denn es ist bereits mit wenigen Regeln ein Regelverhalten mit hoher Stabilität und guter Fehlertoleranz zu erreichen. Kurze Abtastzeiten sind aufgrund der einfachen Algorithmen möglich. Erfahrungen mit der Auslegung von Fuzzy-Reglern für verschiedene Anwendungen bei elektrischen Maschinen liegen vor. Wenn viele Einflußgrößen zu berücksichtigen sind und für den Prozeß kein mathematisches Modell vorliegt, ist es sinnvoll die Fuzzy Control einzusetzen.

Quelle: Uni Karlsruhe