Fehlertolerante Antriebe mit Transversalflussmotoren

Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche Problemstellung

In technischen Anwendungen z.B. bei sicherheitsrelevanten Stellantrieben, werden Antriebseinheiten redundant aufgebaut um in jedem Fall eine (n-1) bis (n-2) Ausfallsicherheit zugewährleisten. Zur Verringerung der Redundanz im System wäre es ideal wenn der einzelne Antrieb auch im Fehlerfall zuverlässig weiter arbeitet, bis ein Austausch der defekten Komponente vorgenommen werden kann.

Die Verlagerung der Ausfallsicherheit von ganzen redundanten Antriebseinheiten, auf eine Erhöhung der Ausfallsicherheit auf die Ebene Einzelkomponenten bergen ein Einsparpotential bei den Kosten als auch eine Erhöhung der Gesamtausfallsicherheit bei gleichbleibender Redundanz.

Eine interessante, bisher nicht untersuchte Alternative zur Realisierung fehlertoleranter Antriebe bilden Transversalflussmaschinen (TFM). Der Hauptunterschied von Transversalflussmaschinen gegenüber konventionellen Drehfeldmaschinen besteht darin, dass der Magnetfluss quer zur Bewegungsrichtung geführt wird. Dadurch ist es möglich, die Polteilung zu verkleinern, ohne den Querschnitt für die Statorwicklung zu reduzieren. So wird eine hohe Kraftdichte erreicht. Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau am Beispiel einer Transversalfluss-Reluktanzmaschine (TFRM) mit Außenläufer.

Bild 1: Transversalflussmaschine in Reluktanzanordnung, Aussenläufer

In Bezug auf die Fehlertoleranz haben sowohl Permanentmagnet erregte Transversalflussmaschinen als auch Transversalfluss-Reluktanzmaschinen bereits prinzipbedingt u.a. folgende große Vorteile:

1. Da die fehlerträchtigen Beschädigungen der Isolation bei herkömmlichen Elektromotoren häufig an den rechtwinkligen Nutenden auftreten, die Ringspulen von TFM aber keine solche kritischen Stellen aufweisen (s. Bild 1), werden die Stromleiter eine wesentlich geringere Ausfallwahrscheinlichkeit zeigen.
2. Alle Vorgaben zur räumlichen, thermischen und magnetischen Trennung werden bei voller Materialaus­nutzung prinzipbedingt optimal erfüllt. Denn die einzelnen TFM-Stränge sind völlig getrennt; sie geben lediglich ihr Moment auf eine gemeinsame Welle (s. Bild 1) ab. Das heißt, es kann im Fehlerfall keinen Kurz­schluss zwischen zwei Strangwicklungen und keine Fehlerfortpflanzung durch lokale Überhitzung geben.
3. Jeder einzelne Statorkern kann elektrisch isoliert im Träger eingefasst werden. Bei Isolationsschäden ist dann auch ein Kurzschluss zwischen zwei Strängen über die Masse innerhalb des Motors ausgeschlossen.
4. Bei einer Speisung jeder Ringspule mit einer separaten H-Brücke lässt sich prinzipiell die vollständige elektrische Trennung aller Phasen erreichen.

Forschungsziel

Ziel des Vorhabens ist es, neuartige, fehlertolerante Antriebe mit Transversalfluss-Reluktanzmaschinen zu entwickeln, ihre Leistungsmerkmale und Betriebsgrenzen im Störungsfall zu untersuchen und sie an die Schwelle der industriellen Anwendung zu bringen.

Die Forschungsarbeiten umfassen den vollständigen Antrieb, bestehend aus Motor, Umrichter und Regelung. Da Transversalfluss-Reluktanzmaschinen prinzipbedingt bereits alle Anforderungen an einen fehlertoleranten Aufbau erfüllen, liegt der Schwerpunkt des Vorhabens bei der Entwicklung fehlertoleranter Wechsel­richter­topologien, möglichst auf der Basis entsprechend erweiterter, dreiphasiger Wechselrichtermodule, sowie bei der Entwicklung einer fehlertoleranten Regelung zum Weiterbetrieb des Antriebs im Fehlerfall mit minimaler Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit.

Angestrebte Forschungsergebnisse

• Entwicklung fehlertoleranter Aufbaukonzepte für Transversalfluss-Reluktanzmotoren und die speisenden Umrichter
• Festlegung der Bemessungskriterien für den Betrieb im Fehlerfall
• Entwicklung eines Matlab/Simulink-Modells für Vorhersagen über das Verhalten von Transversalfluss-Reluktanzantrieben mit beliebiger Strangzahl und Leistung
• Optimierung der Regelung im Fehlerfall auf Basis des Matlab/Simulink-Modells
• selbsttätige Identifikation von Fehlerart und Fehlerort durch die Regelung sowie darauf basierend die Durchführung der erforderlichen Gegenmaßnahmen zur Sicherstellung der Antriebsfunktion im Fehlerfall
• Aufbau eines Versuchsstandes, bestehend aus einem Transversalfluss-Reluktanzmotor, einem Umrichter und einer Regelung, an dem experimentelle Untersuchungen zur Fehlertoleranz im Motor und im Umrichter gezielt durchgeführt werden können.

Gerade im Hinblick auf die personellen und materiellen Möglichkeiten vieler KMU entsteht damit ein wichtiges Projektierungswerkzeug, mit dem anwendungsspezifische Anforderungen an die Fehlertoleranz bereits in der Projektierungsphase berücksichtigt werden können.

Durch diese innovativen Forschungsbeiträge werden fehlertolerante Transversalfluss-Reluktanzantriebe für KMU handhabbar und anwendbar werden. Die angestrebten Arbeits­ergebnisse leisten damit in mehreren Bereichen einen innovativen Beitrag zur Forschung.

Prüfstand für den fehlertoleranten Antrieb mit Umrichter, Drehmomentmesswelle und Lastmotor