Elektromaschinen wie Motoren und Generatoren sind im Prinzip simple Geräte, doch ihre Auslegung im Detail hochkomplex. Durch Computersimulationen sollen sie nun effizienter werden.

 

Die beiden Hochschulen TU Darmstadt und TU Graz wollen elektrische Maschinen durch Computersimulationen entscheidend verbessern. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und der österreichische Wissenschaftsfonds FWF fördern das Vorhaben mit mehr als 8 Millionen Euro.

E-Maschinen machen mehr als die Hälfte des elektrischen Gesamtenergieverbrauchs aus. Die moderne Leistungselektronik brachte zahlreiche neue Betriebs- und Einsatzmöglichkeiten solcher Motoren, und zusammen mit neuen Materialien und Fertigungstechniken sowie durch Fortschritte in der Konstruktionsoptimierung und Regelungstechnik bergen sie enormes Potenzial für das Erreichen der Klimaziele.

Aktuelle Auslegungsverfahren für elektrische Maschinen basieren aber häufig immer noch auf nur wenigen Parametern und Betriebsarten, typischerweise bei konstanter Drehzahl oder konstantem Drehmoment. Optimierungspotenzial bleibt dadurch auf der Strecke. „Dieses Potenzial wollen wir nun nutzbar machen und mit Forschungsarbeiten einen Paradigmenwechsel vollziehen, hin zu neuen integrierten Simulations- und Auslegungsansätzen“, erklären Sebastian Schöps und Annette Mütze unisono. Schöps ist Leiter des Fachgebiets Computational Electromagnetics der TU Darmstadt, Annette Mütze leitet das Institut für Elektrische Antriebstechnik und Maschinen der TU Graz.

Die neuen Ansätze berücksichtigen von Anfang an alle wichtigen Aspekte einer elektrischen Maschine, wie Form und Topologie, zeitabhängige Betriebszyklen, komplexes Materialverhalten, Parameterunsicherheiten, Robustheit und Lärmentwicklung, sowie neue Kühltechniken zum Ausreizen thermischer Grenzen.

Das Modellieren, Simulieren und Optimieren eines derart komplexen Systems stellt extreme Herausforderungen an das Computational Engineering (CE). Auf diesem Gebiet arbeiten Schöps und Mütze bereits seit mehreren Jahren zusammen. Bei CE handelt es sich um eine interdisziplinäre Wissenschaftsdisziplin mit Verbindungen zur angewandten Mathematik, der Informatik und den Ingenieurwissenschaften, die sich neben Theorie und Experiment als dritte Säule des ingenieurwissenschaftlichen Erkenntnisgewinns etabliert hat.

Das nun bewilligte koordinierte Programm trägt den offiziellen Namen „Computergestütztes elektrisches Maschinenlabor. Thermische Modellierung, transiente Analysis, Geometriebeschreibung und robustes Design“. Das Konsortium besteht aus Forschenden der beiden strategischen Partneruniversitäten TU Darmstadt und TU Graz, sowie der Johannes Kepler Universität Linz.