GFB - Green Factory BAVARIA

Betriebsanalysen und Optimierung mechatronischer Antriebsstränge

Zielsetzung

Der Anspruch einer energieautarken Produktion, die Energiewende aber auch die zunehmende Verschärfung und Einführung neuer internationaler Normen bezüglich der Energieeffizienz elektrischer Antriebe fordert fortwährend eine Steigerung der Gesamtwirkungsgrade mechatronischer Antriebssysteme. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Effizienzsteigerung mechatronischer Antriebsstränge durch die methodische Unterstützung des Entwurfs- und Optimierungsprozesses der Antriebssysteme.



Lösungsansätze

Unter Berücksichtigung elektrischer und mechanischer Gesetzmäßigkeiten wird im Rahmen des Forschungsvorhabens ein rechnergestütztes Simulationsmodell erstellt, mit dem Ziel die Komponenten einer Anlage energetisch optimal auszulegen und zu optimieren. Die Auslegung und Optimierung erfolgt dabei insbesondere auch unter Berücksichtigung dynamischer Lastprofile und unterschiedlicher Betriebsarten der Antriebe. Die Modelle werden auf den Antriebsprüfständen der Technischen Hochschule Nürnberg verifiziert und komplette Antriebsstränge über ausgewählte Betriebszyklen energetisch vermessen. Die Funktion des Gesamtmodells wird durch Vergleichsmessungen an einer Versuchsanlage des Projektpartners (Klinkhammer Förderanlagen GmbH) erprobt und bewertet.



Das größte Optimierungspotential eines mechatronischen Antriebsstranges bietet das elektrische Antriebssystem, weshalb dieses einen wesentlichen Punkt in der Optimierung des Gesamtsystems und in diesem Forschungsvorhaben einnimmt. Aufgrund von materiellen Abhängigkeiten werden dabei speziell Synchron-Reluktanzmaschinen (RSM), als Antriebe ohne Selten-Erden Magneten, favorisiert. Auf Basis geeigneter Entwurfs- und Optimierungsverfahren wird ein für den jeweiligen Zweck der Anwendung geeignetes Antriebssystem entwickelt und in das Komplettsystem integriert. Die Auslegung erfolgt dabei speziell auch unter Berücksichtigung fertigungstechnischer Aspekte. Dafür werden mehrere Prototypen durch den Projektpartner (Bosch Rexroth AG) gebaut.



Die Gesamtsystembetrachtung und Entwicklung von für die spezielle Anordnung geeigneten Antrieben führt zur Steigerung von Effizienz und Wirtschaftlichkeit  und erleichtert insbesondere die zukünftige (energie-)optimale Auslegung von mechatronischenAntriebssystemen.



Ergebnisse

Im Bereich der energetischen Simulation von mechatronischen Antriebssystemen wurden Simulationsmodelle von verschiedenen Antriebssystemen erstellt. Mit Hilfe der Simulation können verschiedene Antriebskomponenten hinsichtlich ihrer Energieeffizienz im System untersucht werden. Zudem kann mit dem Simulationsprogramm eine energetisch optimale Auslegung von Antriebssystemen unterstützt werden. Zur Verifizierung der Modelle wurden zahlreiche Messungen sowohl auf den Prüfständen der TH Nürnberg als auch an der Demonstrationsanlage des Projektpartners der Klinkhammer Förderanlagen GmbH durchgeführt.

Im Forschungsfeld der rotierenden elektrischen Maschine ohne Seltene-Erden Magnete wurden erste analytische und numerische Abschätzungen und Berechnungen zur Leistungsfähigkeit der Synchron-Reluktanzmaschine im Bereich der Servoanwendungen durchgeführt und auf Basis von Messungen bewertet. Die Ergebnisse zeigen einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe elektromagnetische Ausnutzung sowie eine hohe Dynamik durch kleine Massenträgheiten des Reluktanzläufers, insbesondere im Vergleich mit Asynchronmaschinen. Es wurde ein analytisches Modell zur Berechnung der Luftspaltinduktion unter Berücksichtigung nichtlinearer Sättigungseinflüsse des Eisenkreises erstellt. Erste Vergleiche mit kommerziellen numerischen Rechenprogrammen zeigen eine durchaus gute Übereinstimmung der Ergebnisse, insbesondere der Grundwelleninduktion. Mit dem Rechenmodell können verschiedenartigste Rotorentwürfe hinsichtlich ihrer Eignung im Einsatz von Synchron-Reluktanzmaschine ohne großen Rechenaufwand abgeschätzt und bewertet werden.



In derzeitigen Auslegungen von Produktionsanlagen wird meist nur auf die Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten nicht aber auf die Energieeffizienz des Gesamtsystems geachtet. Die Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten werden meist nur im Nennpunkt angegeben. Neue Normungsentwürfe sehen vor, dass zukünftig Wirkungsgrade für verschiedenen Lastpunkte der Komponenten (Motor, Umrichter etc.) aufgeführt werden müssen.



Schlupf und Differenz der Wirkungsgrade (links) und Verlustreduktion sowie Wirkungsgrade (rechts) im Nennpunkt von 4-poligen Standard IE2 Asynchronmaschinen der Siemens AG vom Typ 1LA / 1LG und Synchron-Reluktanzmaschinen

Durch die Auslegung der Antriebsstränge über den gesamten Betriebszyklus können erhebliche Energieeinsparungen erreicht werden, da die meisten Komponenten nur einen sehr kleinen Teil der Betriebsdauer im Nennpunkt betrieben werden und der Wirkungsgrad außerhalb des Nennpunktes meist deutlich geringer ist. Durch die Auswahl einer energetisch geeigneten Komponente kann, selbst wenn diese in der Anschaffung etwas Mehrkosten verusracht ist, auf längere Sicht eine Kostenreduzierung erreicht werden.



Eine Steigerung des Wirkungsgrades in elektrischen Maschinen von wenigen Prozentpunkten bedeutet gleichzeitig auch eine Reduzierung der Verluste um bis zu 20 - 30 %. Neben einer Steigerung der Energieeffizienz führen kleinere Verluste zu geringeren Temperaturen von Wicklungen oder auch Lagern und somit zur Erhöhung der Lebensdauer. Bei weiter steigenden Energiepreisen wird sich die RSM besonders für drehzahlvariable variable Antriebe ohne große Anforderungen an Drehmomentwelligkeit und Dynamik mit hohen Jahresbetriebsstundenzahlen vorzugsweise schnell durchsetzen, da diese sich meist innerhalb von wenigen Jahren amortisiert. Ziel weiterführender Entwicklungen ist es, durch geeignete Entwurfsverfahren und –methodik die RSM auch für Anwendungen mit höchsten Anforderungen an Ausnutzung und Dynamik (Servoantriebe) und unter Berücksichtigung fertigungstechnischer Gesichtspunkte aber auch Kosten verfügbar zu machen.



Durch das Forschungsvorhaben können insbesondere folgende Fortschritte erreicht werden:

  • Erhöhung der Energieeffizienz mechatronischer Antriebe, verbunden mit erheblichen Einsparungen an CO2-Emissionen
  • Einsparung von Entwicklungszeiten und Entwicklungs-kosten elektrischer Antriebe
  • Sichere Auslegung von elektrischen Antrieben als Qualitätsmerkmal
  • Technologischer Vorsprung durch kostengünstige energieeffiziente Antriebe der neusten Generation (IE4) in Anbetracht auf die Einführung neuer internationaler Normen und Richtlinien
  • Vermeidung von materiellen Abhängigkeiten insbe-sondere nach Fernost (Seltene-Erden)



Publikationen

  • Hörlin S.; Dietz A.: Simulation of energy in the field of electrical drive technology, ITI-Symposium, Dresden, 2013
  • Hörlin S.; Dietz A.; Stahl K.; Otto M.; Zimmer M.: Systemgedanke umgesetzt - Simulation der Energieeffizienz eines mechatronischen Antriebsstranges, Digital Engineering, 2013
  • Hörlin S.; Dietz A.: Antriebssysteme - So läuft es rund (Energetische Optimierung von Antriebssystemen an praktischen Beispielen), IHK Nürnberg WIM – Wirtschaft in Mittelfranken 2013
  • Hubert, T.; Reinlein, M.; Steckel, R.; Kremser, A.: Abschätzung und Bewertung der Leistungsfähigkeit von Synchron-Reluktanz-maschinen als Traktions-antrieb, EMA 2014 (Elektromobilitäts-austellung), Nürnberg, 2014
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