Theoretische Grundlagen zur Verknüpfung von thermohydraulischer und thermoelektrischer Leistungswandlung in einem Aggregat - Thermohydraulischer Lineargenerator

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wilfried Hofmann; Professor Dr.-Ing. Günter Kunze
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273596486

Die Hydraulik ist in mobilen Maschinen die bis dato bevorzugte Art der Leistungswandlung und übertragung. Beim Antragsteller beschäftigte man sich seit Jahren erfolgreich mit der Entwicklung eines vereinfachten, preiswerten Antriebsaggregates, der thermohydraulischen Freikolbenmaschine (FKM) für mobilhydraulische Hybridantriebe, welche in der Lage sind effizient und schadstoffarm die benötigte hydraulische Antriebsenergie auf der Arbeitsmaschine bereitzustellen. Aktuelle Entwicklungen in der Elektrotechnik ermöglichen die Erschließung neuer Anwendungsgebiete. Gründe für das Ersetzen konventioneller Antriebe sind erhöhte Energieeffizienz u. / o. verbesserte Steuer- und Regelbarkeit. Für künftige mobile Arbeitsmaschinen ist daher aus funktionellen und energetischen Gründen die gleichzeitige Bereitstellung hydraulischer und elektrischer Leistung in einem Primäraggregat wünschenswert.Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die theoretischen Grundlagen zur Verknüpfung von thermohydraulischer und thermoelektrischer Leistungswandlung in einem Aggregat (thermohydraulischer Lineargenerator - THLG) zu schaffen, um damit zu einer belastbaren Abschätzung der technischen Realisierung und des technischen Aufwands zu kommen. Die gleichzeitige und in ihren Anteilen frei wählbare Bereitstellung hydraulischer und elektrischer Leistungen auf Basis des Freikolbenprinzips ist denkbar. Jedoch bedarf es grundlegender Forschungsarbeiten hinsichtlich des Zusammenspiels beider Energiewandlungen, einer stabilen Prozessführung sowie der Analyse und Bewertung der physikalischen Prozessgrößen in Bezug auf die zukünftige Auslegung eines Prototyps.Ausgehend von einer geeigneten Systemkonfiguration der FKM unter spezifischen Anforderungen wird ein leistungsdichtenoptimierter und an den bestehenden Prototypen angepasster Lineargenerator entwickelt. Die Verknüpfung beider Leistungswandlungen erfordert eine abgestimmte Regelungsstrategie, welche sich aus den Abhängigkeiten der Teilsysteme untereinander und des dynamischen Verhaltens des Gesamtsystems ableiten lässt. Diese müssen eine anforderungsgerechte, gleichzeitige und variable Leistungsabgabe auf hydraulischer und elektrischer Seite erlauben sowie einen stabilen Betrieb gewährleisten. Hierzu sind verschiedene Regelungsansätze für den prinzipbedingten instationären Betrieb des Teilsystems Lineargenerator und für das hochdynamische Verhalten des Gesamtsystems THLG zu untersuchen. Um den Hardware-Aufwand gering zu halten, wird eine sensorlose Lageerfassung präferiert. Denn die Regelung der Linearmaschine erfordert genaue Kenntnis über die Läuferposition. Die mögliche Adaption hybrider sensorloser Verfahren über den gesamten Geschwindigkeitsbereich wird für den speziellen Anwendungsfall THLG analysiert.Im Ergebnis liegen somit detaillierte Angaben eines THLGs vor, ob und unter welchem technischen Aufwand dieser realisierbar ist. Sie schließen sowohl energetische als auch regelungstechnische Belange mit ein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen