Magnetischer Kreis mit mäanderförmiger Doppel-Multilayer-Luftspaltwicklung und Halbach-Array Konfiguration für elektrische Radnabenantriebe

• Antragsteller: Dr.-Ing. Norman Borchardt
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315694745

Elektromotoren sind für den mobilen Einsatz nicht zwangsläufig optimal geeignet. Klassische Gleichstrom-, Synchron- und Asynchronmaschinen besitzen genutete Statoren mit massiven Eisenpolen und voluminösen Kupferspulen. Hieraus resultieren hohe Massen und Bauvolumen. Das Potential zum Leichtbau ist faktisch begrenzt. Aus diesem Grund wird verstärkt an alternativen Aufbauten geforscht. In einer ersten Erfindung wurde ein Magnetkreis mit Luftspaltwicklung entwickelt und patentiert. Dieser ermöglicht eine bisher konkurrenzlose Leistungsdichte von 2 kW/kg für Radnabenmotoren. Während dieser Entwicklungszeit entstanden viele weitere innovative Ideen, welche die Leistungsdichte erneut verbessern können. In dem beantragten Stipendium soll daher ein vollkommen neuer magnetischer Kreis mit mäanderförmiger Doppel-Multilayer-Luftspaltwicklung und Halbach-Array Konfiguration für Radnabenantriebe entwickelt werden. Sechs Ziele sind definiert, die methodisch aufeinander aufbauen. (1) Zunächst wird ein neuer Magnetkreis mit Multilayer-Luftspaltwicklung entwickelt. Eine mäanderförmige, mehrlagige Wicklung wird hierbei auf einem dünnwandigen Eisenrückschluss appleziert. Die Mäanderstruktur ermöglicht eine gleichzeitige Nutzung sämtlicher magnetischen Pole. Um das neue Wandlungsverhalten zu analysieren, wird in ANSYS/Maxwell ein statisches und transientes 3D-Modell aufgebaut. Zuvor wird der magnetische Kreis analytisch modelliert. Ein Drehmomentzuwachs von ca. 50 %, bei minimaler Masseerhöhung, wird erwartet. (2) Im zweiten Schritt erfolgt die Weiterentwicklung zu einem Doppelrotor mit Doppel-Multilayer-Luftspaltwicklung. Mit diesem können erstmalig zwei separate Multilayer-Wicklungen für die elektromechanische Wandlung verwendet werden. Ein weiterer Drehmomentzuwachs von ca. 90 % wird erwartet. (3) Anschließend erfolgt die Verwendung eines Halbach-Arrays. Diese bekannte Konfiguration wird nun erstmalig für die neuentwickelten Magnetkreise ausgelegt. Die damit einhergehende Feldverstärkung im Luftspalt verspricht einen Drehmomentzuwachs von ca. 5-10 %. Die Feldreduzierung im Eisenrückschluss verheißt eine weitere Reduzierung der Eisenmasse. (4) Um das dynamische Verhalten der neuen Magnetkreise zu analysieren, werden eine sensorgesteuerte Kommutierung (mit Hilfe von analogen Hallsensoren) und eine sensorlose Kommutierung (mit Hilfe der winkelabhängigen Induktivitäten) in Matlab/Simulink ausgearbeitet. (5) Parallel wird für sämtliche neuentwickelten Magnetkreise ein analytisches Auslegungsskript in der Software Maple erarbeitet. Ziel ist es, energie-, drehmoment- und gewichtsoptimale Magnetkreise zeitnah auslegen zu können. (6) Abschließend werden Labormuster erstellt, um die innovativen Motoraufbauten experimentell zu validieren und die erarbeiteten Modelle zu verifizieren.Mit Hilfe dieser Magnetkreise sind extrem hohe Leistungsdichten von über 3 kW/kg für Radnabenmotoren realisierbar. Die Ergebnisse sollen entsprechend patentiert und publiziert werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeberin: Professorin Kimberly L. Turner, Ph.D.