Fehlertolerante Antriebe mit Transversalflussmotoren
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Bernd Orlik
Ansprechpartner: Dipl.Ing. Matthias Joost
Beschreibung des Projektes
Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche ProblemstellungIn 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:
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
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. |
Stand der Arbeiten
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Dazu wurden Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode durchgeführt, um sowohl das Maschinenkonzept zu optimieren, als auch Regelungskonzepte für den fehlertoleranten Antrieb anhand von FEM Simulationergebnissen zu entwickeln. Aus Basis dieser FEM-Simulations-Ergebnisse wird ein Matlab-Simulink Modell erstellt, mit dem eine schnelle und prätise Simulation des Gesamtsystems möglich ist. |
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Für den entwickelten Versuchsantrieb wurde ein Laborprüfstand mit Lastmotor und Drehmomentmesswelle aufgebaut. Der mechanische Aufbau ist abgeschlossen. Weiterhin wurde das Umrichterkonzept für den Versuchantrieb entworfen und ein entsprechender Umrichter befindet sich im Aufbau.
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Prüfstand für den fehlertoleranten Antrieb mit Umrichter, Drehmomentmesswelle und Lastmotor |
Förderung
Laufzeit: 1. Juli 2013 - 30. Juni 2015