Forschungsprojekt der TH Nürnberg Störungsfreier Betrieb von Elektromotoren

Versuchsaufbau im Rahmen des Projekts »Rotorzustandsschätzung für fremderregte Synchronmaschinen« an der TH Nürnberg.
Versuchsaufbau im Rahmen des Projekts »Rotorzustandsschätzung für fremderregte Synchronmaschinen« an der TH Nürnberg.

Die effizienten, sicheren und wirtschaftlichen Entwicklungen für den E-Antrieb sind für den Markterfolg der E-Mobilität entscheidend. Die TH Nürnberg forscht an Schätzmethoden des Rotorzustands, um den störungsfreien Betrieb von Elektromotoren sicherzustellen.

Weltweit entwickeln Wissenschaftler seit einigen Jahren immer neuere und effizientere Techniken für ökologisch nachhaltige Kraftfahrzeuge. Mit der Energiewende wird die Nachfrage nach umweltfreundlichen Produkten in allen Technikbereichen immer größer.

Prof. Dr.-Ing. Bernhard Wagner von der Fakultät Elektrotechnik Feinwerktechnik Informationstechnik (efi) der TH Nürnberg forscht mit seinem Team an der »Rotorzustandsschätzung für fremderregte Synchronmaschinen«.
In der Elektromobilität kommen derzeit permanenterregte Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen zum Einsatz. Beide Antriebskonzepte haben ihre Vor- und Nachteile.

Permanenterregte Synchronmaschinen

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.

Asynchronmaschinen

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. 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 des Motortyps.

Forschungsprojekte

Im Jahr 2016 wurde das Forschungs-Verbundprojekt FORELMO, an dem die TH Nürnberg beteiligt war, erfolgreich abgeschlossen. Hier wurde ein kontaktloses Energieübertragungssystem entwickelt, das die Nachteile der fremderregten Synchronmaschinen erfolgreich beseitigt. Durch das kontaktlose System können die 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 Prof. Dr.-Ing. Bernhard Wagner den neuen technischen 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 Optimierung der Rotorzustandsschätzung ist ein neuer Forschungsansatz im Forschungsfeld der E-Mobilität und wird von der Staedtler-Stiftung mit 40.000 Euro gefördert.