Jahresbericht 2013 - IEM

INSTITUT FÜR ELEKTRISCHE MASCHINEN
LEHRSTUHL FÜR ELEKTROMAGNETISCHE ENERGIEWANDLUNG
RHEINISCH-WESTFÄLISCHE TECHNISCHE HOCHSCHULE AACHEN
INSTITUT FÜR ELEKTRISCHE MASCHINEN
INSTITUTE OF ELECTRICAL MACHINES
RWTH AACHEN UNIVERSITY
Jahresbericht
Annual Report
2013
Alle Rechte vorbehalten
c 2014 Institut für Elektrische Maschinen der RWTH Aachen
Inhaltsverzeichnis
Grußwort
Greetings
1
Einleitung
Introduction
5
Gremien
Committee
9
Personal
Staff
11
Forschung am IEM
Research at IEM
21
Abgeschlossene Dissertationen 2013
Completed Dissertations 2013
49
Diplom-, Master- und Studienarbeiten ab 2013
Diploma, master- and bachelor theses from 2013
55
Lehre am IEM
Teaching at IEM
65
Statistik
Statistics
69
IEM Familie
IEM family
73
I
Grußwort
Grußwort
Greetings
Liebe Kolleginnen und Kollegen,
mit dieser Ausgabe des IEM Jahresberichts für
das Jahr 2013 möchte ich Sie, liebe Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter und Freunde des
IEM, wieder über die Aktivitäten des IEM des
vergangenen Jahres informieren.
Neben unserer Lehrtätigkeit und den zahlreichen Konferenzbesuchen kann ich an dieser Stelle über die doch sehr aufwändigen
Renovierungs- und Umbauarbeiten am IEM
berichten. Die Arbeiten begannen schon im
Sommer 2012 und sind bis zum heutigen Tage noch immer nicht abgeschlossen.
Das Institutsleben wurde daher das gesamte Jahr hindurch von den Arbeiten im
Inneren und an der Außenhaut des Instituts dominant bestimmt. Die Planung
der Praktikumsversuche für unsere Studierenden und die der Messarbeiten für
die wissenschaftlichen Projekte, war 2013 eine ganz besondere Herausforderung. Die beiden Oberingenieure, Herr Herold und Herr Franck, haben bei der
Einteilung und der Planung hervorragende Arbeit geleistet, um die Probleme
auf ein Minimum zu beschränken.
Der vorhergesagte Ansturm auf die RWTH durch die auf 12 Schuljahre verkürzte Abiturzeit, spiegelt sich in der Gesamtzahl > 32.000 der Studierenden
an unserer Hochschule wieder. Vorlesungen, die sonst typischerweise mit ca. 20
Studierenden belegt waren, haben heutzutage 300 angemeldete Hörer. Die Veranstaltung Elektrotechnik und Elektronik für die Maschinenbauer liegt jetzt bei
über 1.800 Studenten. Somit wird die Vorlesung und die dazugehörige Übung
über Video in verschiedene Hörsäle übertragen.
Bezüglich der Forschungsprojekte, finanziert aus Industrie und öffentlicher Hand,
kann man sagen, dass wir auch 2013 wieder in der Lage waren, durch die hohe
Zahl genehmigter Forschungsprojekte, die Zahl der Assistenten zu steigern.
Die Elektromobilität und die regenerativen Energien, sowie die Windkraft, fi-
Jahresbericht 2013
1
Greetings
nanziert aus der öffentlichen Hand, sorgten auch dieses Jahr für Fortschritte
auf diesen Forschungsgebieten. Die Arbeiten im CWD, dem Center for Windpower Drives, gingen in 2013 sehr gut voran. Die Messungen an der aufgebauten 1 MW Windturbine konnten erfolgreich abgeschlossen werden. Zur Zeit
entsteht das neue Gebäude für das CWD, das den 4 MW Prüfstand aufnehmen
soll. Wir hoffen mit unseren wissenschaftlichen Arbeiten an diesem Versuchsstand im Jahr 2015 beginnen zu können.
Auch in diesem Jahr konnten wir eine gute Nachfrage unserer wissenschaftlichen Themen in der Industrie verzeichnen. Die von der Industrie finanzierten
Projekte haben im Volumen gegenüber den Vorjahren sogar zugenommen. Ich
denke wir haben in Summe ein gesundes Verhältnis von öffentlicher Förderung
und industrienaher Auftragsforschung gefunden. Die Übersichtsdiagramme am
Ende des Jahresberichts weisen dies nach.
Die weiter gestiegene Zahl der wissenschaftlichen Mitarbeiter hat erfreulicherweise auch für ein Anwachsen der Zahl der am IEM angefertigten Abschlussarbeiten gesorgt. Die praktischen sowie auch die theoretischen Arbeiten haben
gleichermaßen guten Zuspruch gefunden.
Für die enthusiastisch geleistete Arbeit aller Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter,
der Studierenden, die freundschaftliche und die kollegiale Zusammenarbeit im
Institut und mit den Projektpartnern in Industrie und anderen Forschungseinrichtungen, sowie für die vielfältige Unterstützung, die wir von vielen Seiten
erfahren durften, möchte ich an dieser Stelle ganz herzlich danken.
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c.
Kay Hameyer
2
Jahresbericht 2013
Grußwort
Dear colleagues, co-worker and friends of the IEM,
with this edition 2013 of the IEM annual report I would like to inform you
about the IEM activities of the past year.
Next to our teaching activities and many conference participations I can report
on the still on-going repair and reconstruction works at IEM. The works seem
now to be more complex as expected 1 year ago. The works started in summer
2012 and are still not yet finished. Therefore, life at IEM was dominantly influenced by the works outside as well as inside the institute. The planning of the
practical exercises for the undergraduate students and the coordination of the
measurements for the scientific projects were 2013 a particular challenge. Both
chief engineers, Mr. Herold and Mr. Franck did an amazing job to organize and
plan all requests to minimize the problems in the machine laboratory.
The forecasted run to the RWTH Aachen University, due to the reduced study
time to receive the permit to University of now 12 years at school, can be noticed by the very high number of > 32.000 students at our University. Courses
with typically 20 undergraduates in the past have grown now to inscriptions of
about 300. The lecture and exercises for the Electrotechnique and Electronics
for the students from mechanical engineering has grown now to 1.800 undergraduates. Therefore lectures and exercises are transmitted by video to various
lecture theatres.
Concerning our research projects, financed by industry and by public hand, I
can say that we again were very successful with our project applications. Due
to the relatively large number of accepted and supported projects the number
of scientific associates has further grown in 2013.
The topics from electromobility and regenerative energy, such as wind power,
financed by the public hand, have seen a significant progress in those research
areas. The scientific works in the frame of the CWD, the center of wind power
drives, have been well going forward in 2013. The measurements at the 1 MW
wind power test set-up have been finished successfully. At this particular moment, the construction works of the new building of the CWD, later hosting the
4 MW are in full swing. We hope to start working at this measurement set-up
in 2015.
In 2013 the request for our scientific topics from industry was rather high, too.
Compared to the past years, the projects financed by industry have grown in
Jahresbericht 2013
3
Greetings
volume and time budget. I think we still have a well balanced ratio of industrial
and public funded projects, which can be taken from the diagrams at the end
of this annual report.
Fortunately, the increasing number of scientific assistants has enormously raised the quantity of finished scientific theses (Diploma, Bachelor, Master). The
practical as well as the theoretic tasks were accepted with equal popularity.
For the enthusiastic performed work of all IEM co-workers, of all our students
and undergraduates, which worked in friendship and loyal cooperation, the
excellent and interesting cooperation with our industrial project partners and
scientific friends as well as the support we received from various other places
and people, I want to thank emphatically at this place.
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c.
Kay Hameyer
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Jahresbericht 2013
Einleitung
Einleitung
Introduction
Das Institut für Elektrische Maschinen (IEM) mit dem Lehrstuhl für Elektromagnetische Energiewandlung beschäftigt sich in der Forschung, der wissenschaftlichen Dienstleistung für die Industrie und der Lehre mit allen Aspekten
der Berechnung, Weiterentwicklung und Anwendung der elektrischen Maschinen und elektromagnetischen Energiewandlern. Hier handelt es sich um alle
nur denkbaren elektrischen Maschinen, wie z. B. Asynchronmaschinen, Permanentmagnetmaschinen, Transversalflussmaschinen, geschaltete Reluktanzmaschinen und Linearantriebe. Antriebsmotoren für Hybridfahrzeuge,
Elektrofahrzeuge und Bordnetznebenaggregate oder Arbeiten zur Simulation des elektrischen Bordnetzes in Kraftfahrzeugen gehören zu den Kerntätigkeiten des IEM.
Im Bereich der Auslegung, Diagnose, Simulation, Regelung, dem Aufbau von
Prototypen und der Inbetriebnahme von elektromechanischen Energiewandlern verfügt das IEM über umfangreiche Erfahrungen aus einer Vielzahl vorausgegangener Arbeiten. Mit modernen Werkzeugen zur Entwicklung von Regelungssystemen, beispielsweise mit den Rapid-Control-Prototyping Systemen
(dSPACE), werden Prototypen in Betrieb genommen und vermessen. Die hierfür erforderliche Hardware wurde ebenfalls am Lehrstuhl entwickelt und gefertigt. Neben der Entwicklung elektrischer Antriebe hat das IEM seit vielen Jahren
auch eine Kompetenz im Bereich der Magnetlagerung aufgebaut. Ein vollständig magnetisch gelagerter Personenaufzug befindet sich bereits am IEM. Die
Entwicklung und der Aufbau von rotierenden Magnet-Lagersystemen ist Inhalt weiterer Forschungsarbeiten. Ausgewählte Regelalgorithmen, so genannte Zustandsregler, werden entwickelt um die Qualitätsansprüche des Aufzugssystems erfüllen zu können.
Die Verwendung und Entwicklung von numerischen Methoden und Verfahren als Werkzeug für die Auslegung, Dimensionierung und numerische Optimierung bilden dabei einen Schwerpunkt der Arbeiten am Institut. Mit Hilfe dieser Softwareumgebungen, selbst entwickelter Solver und Postprocessing
Tools (iMOOSE und ProMotor) können komplizierte neuartige Geometrien
modelliert und simuliert werden. Ein neues Forschungsgebiet, die Methoden
der virtuellen Realität, hat sich aus der Softwareentwicklung ergeben. Es wird
das Konzept des „Entwurfsbüro der Zukunft“ erarbeitet um dem Entwick-
Jahresbericht 2013
5
Introduction
lungsingenieur in der Zukunft interaktive Möglichkeiten für die Gestaltung und
den Entwurf von Antriebssystemen zu geben. Die Forschungsarbeiten zielen
auf verschiedenen Aspekte ab, interaktiv in der virtuellen Welt die Maschinenakustik, das magnetische Design usw. zu bewerten. Umfangreiche Arbeiten zu automatischen numerischen Optimierungsalgorithmen, die auf FiniteElemente-Feldberechnungen beruhen werden angewendet um die Eigenschaften der Energiewandler zu optimieren. Mit Hilfe der umfangreichen, am IEM
entwickelten, Werkzeuge werden einerseits konventionelle elektrische Maschinen ausgelegt, aber auch bezüglich besonderer Fragestellungen optimiert (Strukturdynamik, Schallabstrahlung, Fertigungstoleranzfeldberechnungen usw.). Ein
besonderer Schwerpunkt der Forschungsarbeiten ist hier die genaue Simulation des elektromagnetischen Geräuschverhaltens von elektrischen Maschinen.
Das IEM verfügt über einen Magnetmessplatz, mit dem es nunmehr möglich
ist ferromagnetisches Material normgerecht zu charakterisieren. Verschiedene
Epsteinrahmen und Einzelblechtester ermöglichen die Messung des Magnetverhaltens dieser Materialien bis zu Frequenzen von 10 kHz bei beliebiger zeitlicher Kurvenform der Felderregung. Mithilfe dieses Messaufbaus werden neben
der Materialcharakterisierung die Materialmodelle entwickelt, die in iMOOSE
implementiert werden können. Dieser Ansatz soll es möglich machen elektrische Maschinen unter mehr realistischen Randbedingungen zu simulieren.
6
Jahresbericht 2013
Einleitung
The Institute of Electrical Machines (IEM) with the chair of Electromagnetic
Energy conversation is regarding its duties in research, scientific service to the
community and teaching engaged in all possible aspects of calculation, development and applications of electrical machines and other electromechanical
energy converters. Machines such as induction motors, permanent magnet
excited machines, transverse flux machines, switched reluctance machines as well as linear drives are considered. Traction motors for hybrid cars,
full electric vehicles and board net components or simulation studies regarding the behaviour of the electrical board net of automobiles are IEM core
competences.
In research topics concerning magnetic design and construction, diagnosis,
numerical simulation, device controls, prototyping and operation of electromechanical energy converters, IEM has particular expertise. Modern and
state of the art rapid-control-prototyping tools such as dSPACE systems enable IEM to efficiently develop control strategies. During the passed years IEM
has established expertise in the field of magnetic levitation technology. There
are developments of rotating magnetic bearings as well as magnetic linear
levitation systems for elevator cabins.
The application and in particular the development of numerical tools for the
simulation of magnetic circuits represents another scientific focus of IEM. Inhouse developed software packages such as iMOOSE and ProMotor can model very complicated geometries. A new field of research can be seen in the methodology of virtual reality. In this area the concept of a “design office of the
future“ is the topic. The developments are focussed to realise a virtual world
enabling the design engineer to interactively design drive trains regarding various aspects, such as excited noise, magnetic design etc.. Substantial research
work is performed to apply automated numerical optimisation techniques,
based on finite element models, which are applied to optimise electromagnetic
energy converters. The in-house software packages are used to develop conventional electrical machines and to evaluate them according to particular properties, such as audible noise, structure dynamic, fault tolerant design, ... . A
particular topic is the electromagnetically excited audible noise of electrical
machines.
IEM has a state of the art measurement set up available to measure the magnetic properties of electro lamination and other ferro-magnetic materials.
Several Epstein-frames and a single sheet tester enable to measure such ma-
Jahresbericht 2013
7
Introduction
terial for frequencies up to 10 kHz, PWM magnetisations and free curve
magnetisations. This set up is applied to develop material models to be implemented in the FE solvers of iMOOSE to simulate electrical machines under more
realistic conditions and to have knowledge about the best choice of material to
be used.
8
Jahresbericht 2013
Gremien
Gremien
Committee
Prof. Dr.-Ing. Kay Hameyer
Editorial boards
•
•
•
•
•
•
•
Editorial Advisory Board “Emerald“
Editorial Board COMPEL, Journal for Computational Electromagnetics
Editorial Board of “POLLACK PERIODICA“, scientific journal
Editorial Board Journal of IET: Science, Measurement and Technology,
UK, scientific journal
Editorial Board “Archives of Electrical Engineering“, Polish Academy of
Science, scientific journal
Editorial Board COMPUMAG Society
Technical editor International Compumag Society Newsletter
Executive boards
•
•
•
•
Advisory board Otto Junker Stiftung
Vice spokesman of RWTH University Professors
Re-elected Senator electrical engineering and information technology of
RWTH Aachen University senate
Re-elected member of the executable Board of the faculty (Fakultätsrat)
of Electrical Engineering and Information Technology at RWTH Aachen
University
Conference boards
•
•
COMPUMAG, International conference on the computation of magnetic
fields
LDIA, International symposium on linear drives for industry applications
Jahresbericht 2013
9
Committee
•
•
•
•
•
•
•
•
EHE, International Conference on Electromagnetic Fields, Health and Environment
EPNC, International Symposium on electromagnetic phenomena in nonlinear circuits
CEFC, International conference on electromagnetic field computation
CEM, International conference on computation in electromagnetics
ISTET, International symposium on theoretical electrical engineering
ISEF, International symposium on magnetic fields
EMF, International symposium on electric and magnetic fields
ATK, Antriebstechnisches Kolloquium, heavy drive train conference
Participation in conference organisation
•
ATK 2012, Aachen, Germany, chairman
Board of directors
•
•
•
•
GSE RWTH Aachen, Geschäftstelle Elektromobilität der RWTH Aachen
StreetScooter GmbH
CMP, RWTH Center of mobile propulsion
CWD, RWTH Center of Windenergy Drives
Memberships
•
•
•
•
•
10
Fellow IET (IET, früher IEE), UK
Fellow WIT, UK
SM IEEE, USA
VDE / VDI
EPE
Jahresbericht 2013
Personal
Personal
Staff
Mitarbeiter des Instituts für Elektrische Maschinen
Jahresbericht 2013
11
Staff
Institutsleiter
Kay Hameyer
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c.
[email protected]
Sekretariat
Petra Jonas-Astor
[email protected]
Isabel Mainz
[email protected]
Controlling
Denise Boukamp
[email protected]
Lehrbeauftragte
Peter Biele
Dr.-Ing.
Herbert De Gersem
Prof. Dr. ir. habil.
[email protected]
Lars Löwenstein
Dr.-Ing.
Stefan Soter
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
12
Jahresbericht 2013
Personal
Oberingenieure
Dipl.-Ing. David Franck
Dipl.-Ing. Thomas Herold
Gruppenleiter
Dipl.-Ing. Matthias Felden
(bis Sep. 13) (Automotive)
Dipl.-Ing. Marco Hombitzer
(seit Sep. 13) (Automotive)
Dipl.-Inform. Stefan Böhmer
(seit Sep. 13)
(Numerische Simulation)
Dipl.-Ing. Rüdiger Appunn
(Mechatronik & Drives)
Dipl.-Ing. Isabel Coenen
(bis Nov. 13) (Analyse & Design)
Dipl.-Ing. Björn Riemer
(seit Nov. 13) (Analyse & Design)
Jahresbericht 2013
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
13
Staff
Wissenschaftliches Personal
Dipl.-Ing. Lu An
Dipl.-Ing. Teofil-Cristian Andrei
Daniel Butterweck, M.Sc.
Dipl.-Ing. Daniel Eggers
Silas Elfgen, M.Sc.
Gregor Glehn, M.Sc.
Thorben Grosse, M.Sc.
Dipl.-Inform. Dipl.-Wirt. Ing. Zheng Hu
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Jan Karthaus, M.Sc.
[email protected]
Tobias Kauder, M.Sc.
[email protected]
Dipl.-Ing. Roman Konrad
[email protected]
Christian Krüttgen, M.Sc.
[email protected]
Thorsten Kurpat, M.Sc.
Qian Liu, M.Sc.
Sara Mahdavi, M.Sc.
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Dipl.-Ing. Peter Offermann
[email protected]
Georg von Pfingsten, M.Sc.
[email protected]
Dipl.-Ing. Christelle Piantsop Mbo’o
Aryanti Putri, M.Sc.
14
[email protected]
[email protected]
Jahresbericht 2013
Personal
Dipl.-Ing. Sebastian Rick
Andres Ruf, M.Sc.
Dipl.-Ing. Michael Schröder
Un-Jae Seo, M.Sc.
Dipl.-Ing. Simon Steentjes
Dipl.-Ing. Andreas Thul
Jan Vogel, M.Sc.
Dipl.-Ing. Svetlana Zhitkova
Doktoranden
Dipl.-Ing. Sicong Liu
Dipl.-Ing. Marco Tietz
Dipl.-Ing. Matthias Felden
Leiter der Geschäftsstelle
Elektromobilität (GSE)
Jahresbericht 2013
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
15
Staff
Elektroniklabor
Jörg Paustenbach
(Techniker)
[email protected]
Ulrich Schönfeld
[email protected]
Mechanische Werkstatt
Reiner Wagemann
(Werkstattleiter)
[email protected]
Roger Baadjou
(Mechaniker)
[email protected]
Hubert Datenet
(Mechaniker)
[email protected]
Bernd Nowak
(Mechaniker)
[email protected]
Frank Wagner
(Mechaniker)
[email protected]
Hausmeister
Alexander Köstler
16
[email protected]
Jahresbericht 2013
Personal
HiWis
Krishnan Anantharamu
Kira André
Mariia Astrakhantceva
Farnaz Basiri
Robert Beerwerth
Sebastian Bereda
Astrid Böckmann
Martin Karl Benjamin Conen
Arnaud Thierry Djoumbou Tobou
Tobias Duda
Jeffrey Evers
Viktor Franken
Barbara Görner
Dominik Görtzen
Syed Abdul Hafeez
Alexander Nordin Hamri
Christina Hoditz
Philipp Hollstegge
Poya Jamborsalamati
Mansoor Khelwati
Konstantin Koslov
Haditi Kumar
Alexander Lamprecht
Jonas Lenz
Martin Lorenz
Diane Mabah
Mario Mommers
Christoph Mülder
Martin Nell
Felix Nußbaum
Ajay Poonjal Pai
Michael Peter
Barbara Scheiper
Maximilian Schiffer
Eran Schweitzer
Benedikt Späth
Florian Strangfeld
Svetomir Stevic
Jahresbericht 2013
17
Staff
Jannik Stich
Seyed Sajjad Tabatabai
Wei Tian
Daniel Uhling
Vanessa Wagener
Alexander Wall
Felix Wübbels
Chen Xiang
Frederic Bayer
Alexander Nordin Hamri
Lukas Vogel
Alexander Lamprecht
Jonas Schulte-Coerne
Allhousseiny Diallo
Florian Kaumanns
Hye Yeong Kim
Josep M. Vicedo Conca
Daniel Butterweck
Florian Huthmacher
Kamil Hermanski
Alexander Schnitzler
Philipp Tünnerhoff
Kong Min Zhang
Christopher Lamers
Rafael Llorente Alonso
Jan Lobmeyer
Qixuan Jin
Andrej Derr
Peter Laumen
Peter Frings
Yannick Leymann
Artur Losik
Artur Mittelstedt
Michael Pelzer
Maria Schmitz
David Vonester
Katharina Wiege
Julian Bedei
18
Jahresbericht 2013
Personal
Valentin Derksen
Marius Franck
Jiadong Guo
Florian Josef Pleye
Wilfried Erik Reimann
Philipp Schülting
Adrian Seide
Zhejun Yao
Pawel Meyer
Hendrik Flamme
Sebastian Max
Umer Salahuddin
Alexander Arnoldi
Daniel Butterweck
Onur Isbecer
Martin Lagzdins
Nora Richter
Hanmi Xu
Jahresbericht 2013
19
Staff
20
Jahresbericht 2013
Forschung am IEM
Forschung am IEM
Research at IEM
Analyse & Design
Automotive
Mechatronik
Numerische Simulation
Jahresbericht 2013
21
Research at IEM
Magnetschwebezug im Modellmaßstab
Die Faszination für Technik beruht auf ihrer Anschaulichkeit. Um das Interesse für den Ingenieurstudiengang Elektrotechnik zu schüren, soll bei Informationsveranstaltungen für Schüler, Studenten und Besucher, ein Prüfstand eines
Modellmagnetschwebezuges vorgeführt werden. Um einen spielerischen Anreiz
zu schaffen, besitzt der Magnetschwebezug in etwa den Maßstab 1:50 zu gängigen Zugabmessungen. Der Magnetschwebezug wird von Studenten in Projektarbeiten ausgelegt und aufgebaut, sowie für Praktikumsversuche benutzt.
Bisher sind das Schwebesystem und der Linearantrieb in Betrieb genommen.
Die weiteren Arbeiten bestehen darin, die bisherige rapid control prototyping
Umgebung für die Leistungs- und Steuerungselektronik durch eine selbstentwickelte Mikrocontoller-Umgebung zu ersetzen.
200
25
27
20
25
127,71
1
2
181,71
50
80
30
40
150
5
5
1,5
1,5
12
100
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
H
H
G
G
F
F
E
E
D
D
C
C
B
B
DATUM
Gezeichnet 12.10.2012
Name
wagemann
Kontrolliert
Norm
A
1
Zusammenbau Magnetzug neu
A1
Status
12
11
10
9
8
7
6
5
4
nderungen
DATUM
3
A
Name
2
1
Small scale magnetically levitated train
The fascination for technology bases on its plasticity. To encourage the interest
for electrical engineering a small scale magnetically levitated train is constructed as demonstrator at information events for pupils, students and visitors. To
provide a playful incentive the levitation train is designed on a scale of circa 1:50 to common trains. The maglev train is designed and build by student
projects and will be used for student laboratories as well. Until now the magnetic levitation system and the direct drive are put into operation. The further
development focuses on the replacement of the rapid control prototyping environment for the control and power electronics with a self-developed microcontroller environment.
22
Jahresbericht 2013
Forschung am IEM
Auslegung und Inbetriebnahme einer linearen Asynchronmaschine
Das Institut für Elektrische Maschinen entwickelt einen Magnetschwebezug im
Miniaturmaßstab als Demonstator für Studenten. Für diesen Zweck wurde eine
lineare Asynchronmaschine entworfen und in Betrieb genommen. Ein parametrierter Finite Elemente Entwurf wurde verwendet, um den linearen Antrieb an
die speziellen Anforderungen des Magnetschwebezuges anzupassen. Der magnetische Fluss und die Kraft wurden mittels verschiedener Methoden berechnet und im Anschluss mit Messungen verglichen. Einige Steuerungen und Regelungen werden erprobt, um das gewünschte Betriebsverhalten des linearen
Antriebes zu gewährleisten.
Design and control of a linear induction machine
The Institute of Electrical Machines developed a small scale magnetic levitation train as student demonstrator. For that purpose a linear induction motor
was designed and put into operation. A parametrized finite element design was
used to adapt the linear induction motor to the specific needs of the magnetic
levitation train. The magnetic flux and the forces were calculated with various
methods and compared with measurements. Several control strategies are tested for the desired linear drive operation.
Jahresbericht 2013
23
Research at IEM
Konzeptentwurf eines Hochdrehzahl-Mehrfachgenerator-Triebstrangs für
Multi-Megawatt-Windenergieanlagen
In Zusammenarbeit mit mehreren Instituten der RWTH Aachen aus den Bereichen Maschinenbau und Elektrotechnik soll ein neuartiges Konzept für Windenergieanlagen entworfen werden. Ziel ist es, mehrere identische Generatoren in einem Triebstrang einzusetzen, die durch eine mechanische Leistungsverzweigung unterschiedlich angesteuert werden können. Gleichzeitig werden
diese Generatoren mit einer für Windenergieanlagen hohen Drehzahl betrieben. Neben dem Vorteil des verbesserten Anlagenwirkungsgrads führt dieses
Konzept zu einer Kostenreduktion5. bei
Betrieb und Produktion.
Modellierung
n1
Getriebe
vWind
mit
n2
n3
nTurb
Leistungsn4
verzweigung
n5
n6
Gen
Gen
Gen
Gen
Gen
Gen
f1
3∼
=
f2
3∼
=
f3
3∼
=
f4
3∼
=
f5
3∼
=
f6
3∼
=
=
3∼
=
3∼
=
3∼
=
3∼
Trafo
fNetz
Netz
=
3∼
=
3∼
Abbildung 5.1.: Modell der Windenergieanlage.
Design Concept of a Drive Train with Multiple High-Speed Generators for
die Windgeschwindigkeit hinter der Turbine ist [11]:
Large Wind Turbines
cp =
P
P 0 RWTH Aachen University institutes in the field of
In collaboration with other
1
· ρLuf t · AT urbine · v12 − v22 · (v1 + v2 )
4
Mechanical and Electrical
there
is
a project
= Engineering,
. for developing
(5.1) a no1
· ρLuf t · AT urbine · v13
2
vel concept of wind energy plants.
The design consists of a drive train with
Der ideale oder maximale Leistungsbeiwert ergibt sich für vv = 13 mit
multiple
identical generators which are controlled by a mechanical power split
cp,max = 0,593 .
(5.2)
device. The generators operate with
a high rotational speed. This design
concept leads to an improved efficiency of wind energy plants and a cost reduction
Für das betrachtete Windenergieanlagenmodell wird ein Leistungsbeiwertkennfeld
for operation
and welches
production.
angenommen,
die Leistungsbeiwerte in Abhängigkeit des Pitchwinkels und der
2
1
Schnelllaufzahl beschreibt (s. Abb. 5.2). Der Pitchwinkel ist der Winkel der Rotorblattverstellung. Mit Hilfe dieser Regelung lässt sich am effektivsten die Leistungsaufnahme
der Anlage beeinflussen.
24
Die Schnelllaufzahl λ ist das Verhältnis der Blattspitzengeschwindigkeit und der
Jahresbericht
Windgeschwindigkeit:
vBlattspitze
λ=
v W ind
2 · π · nT urbine · RT urbine
=
.
(5.3)
v W ind
2013
Forschung am IEM
Untersuchung und Vergleich von Wicklungssystemen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf den Wirkungsgrad einer Hochdrehzahl-PMSM eines elektrischen Sportwagenantriebs
Im Rahmen des Projektes e-generation (Förderkennzeichen 13N11867) des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) soll am IEM in Zusammenarbeit mit der Dr.-Ing. h.c. F. Porsche AG, der Robert Bosch GmbH und
weiteren Forschungseinrichtungen eine permanenterregte Synchronmaschine
(PMSM) als Hochdrehzahlantrieb eines elektrischen Sportfahrzeugs entwickelt
werden. Von besonderem Interesse ist die Steigerung des Wirkungsgrades der
elektrischen Maschine. Es wird untersucht, ob mit alternativen Wicklungsschemata der Wirkungsgrad des aktuellen Entwicklungsstandes der PMSM verbessert und dabei die Leistungsfähigkeit der Maschine erhalten werden kann, sodass sie weiterhin den Anforderungen entspricht. Bruchlochwicklungen und
verschiedene Sehnungen werden auf ihre Tauglichkeit als Hochdrehzahlsysteme untersucht.
4,13,22
5,14,23
3,12,21
IU
6,15,24
2,11,20
IW
IV
7,16,25
1,10,19
9,18,27
8,17,26
Analysis and Comparison of Different Winding Systems Regarding their
Influences on the Efficiency of a High Speed PMSM of an Electric Sports
Car
The project e-generation (Reference Number 13N11867) of the Federal Ministry
of Education and Research (BMBF) together with the Dr.-Ing. h.c. Porsche AG
and the Robert Bosch GmbH and other Research Facilities, aims, among other
goals, to develop a high-speed permanent-magnet synchronous machine for
an electrical sports car. Increasing the efficiency of the electrical machine is of
special interest. The IEM conducts research on alternative winding systems such
as fractional-slot windings and certain coil-pitches to determine their ability to
perform adequately in a high-speed drive train.
Jahresbericht 2013
25
Research at IEM
Fortpflanzung von Produktionsabweichungen in elektrischen Maschinen
Bedingt durch den Fortschritt in der Berechnungsgenauigkeit aktueller elektromagnetischer Softwarepakete ist eine Betrachtung von Unsicherheiten für
eine Verbesserung des Entwicklungsprozesses von elektrischen Maschinen unabdingbar. Im Rahmen des von der DFG geförderten Projekts „Übertragung von
Unsicherheiten in elektromagnetischen Modellen“ wurden daher Möglichkeiten
zur Simulation und Bewertung des Einflusses stochastisch variierender Parameter auf das Verhalten der elektrischen Maschine untersucht. Durch Einführung einer Metamodellierungstechnik ist es möglich, beispielsweise Geometrieoder Materialschwankungen einzelner Komponenten zu bewerten und konkrete Aussagen über das Maschinen(fehl)verhalten zu tätigen. Letztendlich ermöglicht die entwickelte Methodik unter Zuhilfenahme von Paradigmen wie
’Robustem Design’ oder ’Toleranzallokation’ eine nachhaltige Verbesserung des
Maschinenverhaltens.
Uncertainty propagation of production-faults in electrical machines
Due to the progress taking place in the exactness of computation in terms of
current electromagnetic software packages, an examination of uncertainties is
indispensable for achieving an advance in the development process concerning
electrical machines. In course of the DFG supported project ’propagation of uncertainties across electromagnetic models’, possibilities for the simualtion of
stochastically varying prameters and their influence on the electrical machine have been investigated. By inserting a meta-modelling technique it is now
possible to evaluate variations in geometry and material of single components
and predict concise propositions about the machine’s characteristics. Finally,
this methodology enables an enduring improvement of the electrical machine’s
performance with the aid of paradigms like ’robust design’ or ’tolerance allocation’.
26
Jahresbericht 2013
Forschung am IEM
Erweiterung der FEM-Bibliothek für elektromagnetische Probleme iMOOSE
um einen transienten 3D Ansatz basierend auf dem magnetischen Skalarpotential
Aktuelle Entwicklungen im Auslegungsprozess elektrischer Antriebssysteme stellen zunehmende Anforderungen an ihr dynamisches Verhalten. Diese Anforderungen müssen bei der Simulation mit der Finite Elemente (FE) Methode
berücksichtigt werden. Für die Feinauslegung, Optimierung und Untersuchung
parasitärer Effekte von komplexen Geometrien elektromagnetischer Energiewandler sind diese durch dreidimensionale Modelle zu modellieren. Die Erweiterung der am IEM entwickelten FE-Bibliothek iMOOSE um einen Ansatz
basierend auf dem magnetischen Skalarpotential erlaubt eine dynamische Ortsund Zeitschrittweitensteuerung transienter Simulationen dreidimesionaler Modelle.
Extension of the FEM library forelectromagnetic problems iMOOSE by a
transient 3D formulation on basis of the magnetic scalar potential
In current developments in the design process of electrical drive systems the
demand on high dynamic behavior increases. These demands have be considered in the simulation models with the Finite Element (FE) method. For a
refined final design, the optimization and the analysis of parasitic effects of
complex geometries of electromagnetic energie converters, these have to be
modeled by three-dimensional models. The extension of the IEM-developed FE
library iMOOSE by an approach based on the magnetic scalar potential allows
dynamic spatial and temporal step size control of transient simulations of threedimensional models.
Jahresbericht 2013
27
Research at IEM
Erkennung von Lagerschäden mittels Statorstromanalyse
40 % bis 50 % von Fehler im elektrischen Antriebstrang werden von Lagern
verursacht. Lagerschäden werden heutzutage zumeist mittels Schwingungsmonitoring überwacht. Diese Methode ist aufgrund der Kosten und der Anzahl von
verwendeten Schwingungssensoren teuer. Ausserdem ist es je nach Anwendung
aufwendig die Sensoren zu platzieren. Eine alternative Methode stellt die elektrische Überwachung dar. Hier wird der elektrische Strom aus dem Umrichter
verwendet, um Fehler zu erkennen. Mit Hilfe von Signalverarbeitungsverfahren
wie spektrale Analyse, Wavelet Transformation und Parktransformation werden
Merkmale aus dem Stromsignal extrahiert und bewertet.
motor current [dB re A]
1000
900
900
800
800
700
700
frequency [Hz]
frequency [Hz]
motor current [dB re A]
1000
600
500
400
600
500
400
300
300
200
200
100
0
100
5
10
15
20
speed [Hz]
(a) Healthy Bearing
25
30
0
0
5
10
15
20
25
30
speed [Hz]
(b) Damaged Bearing
Bearing damage detection by means of stator current analysis
40 % to 50 % of damages in the electric drive train are related to the bearings. Bearing faults are detected essentially by means of the vibration analysis.
This monitoring technique is expensive and requires a challenging mechanical
construction depending on the number of accelerometers used. An alternative
detection method is the electrical monitoring, in which the stator current signature is used for the detection. This method utilizes the embedded current
sensors of the controller. For faults detection, features can be extracted from the
stator current using several signal processing methods such as: spectral analysis, wavelet transform or Park transformation.
28
Jahresbericht 2013
Forschung am IEM
KERME: Skalierbarer und modularer Antriebsstrang für E-Fahrzeuge
Bei dem vom Ministerium für Wirtschaft, Energie, Industrie, Mittelstand und
Handwerk des Landes Nordrhein-Westfalen (MWEIMH) geförderten Projekt wird
im Verbund mehrerer Institute der RWTH Aachen und der Industrie ein elektrischer Antrieb für ein ganzheitlich optimiertes Elektrofahrzeug entwickelt und in
Kleinserie gefertigt. Ein signifikanter Faktor für eine erfolgreiche Marktdurchdringung ist die Reduktion der Fahrzeugkosten. Um diese Zielsetzung zu realisieren, findet parallel zur Entwicklung ein Produktarchitekturentwicklungsprozess (PAEP) zur Identifikation der Material- und Fertigungskosten statt. Die
nutzungsgerechte und ressourceneffiziente Gestaltung des Traktionsmotors minimiert den Einsatz hochpreisiger NdFeB Magnete. Um die Entwicklung praxisorientiert zu gestalten, wird die Auslegung des Antriebs an einen, von der
Streetscooter GmbH entwickelten, Fahrzyklus angepasst. Nach der Entwicklung
wird der Motor in der RWTH Plattform ”StreetScooter” getestet.
KERME: Scalable and modular drive train for electric vehicles
The project KERME, promoted by Ministerium für Wirtschaft, Energie, Industrie, Mittelstand und Handwerk des Landes Nordrhein-Westfalen (MWEIMH),
is a collaboration between several institutes of the RWTH Aachen University
and industrial partners to develop and construct an electrical drive for an endto-end optimized vehicle. A significant factor of succesful market penetration
is cost reduction. In order to achieve this purpose, potential material and production costs are identified by means of product architecture development processes (PAEP). Furthermore, scale effects are applied while the electric motor
is constructed economic and resource-keeping reducing the amount of costintensive permanent magnet material. To design the process of development
practically the construction of the machine gets adapted to a drive cycle, evolved by StreetScooter GmbH. After development and construction the motor will
be tested in the RWTH ”StreetScooter” platform.
Jahresbericht 2013
29
Research at IEM
e-mosys: Modulares Antriebs- und Fahrwerksystem für E-Fahrzeuge
Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
geförderten Projekts e-mosys mit dem Förderkennzeichen 16N11637 wird in
Zusammenarbeit mehrerer Institute der RWTH Aachen sowie der Industrie ein
innovatives Antriebskonzept für ein Elektrofahrzeug entwickelt. Während bis
dato ausschließlich konventionelle dreisträngige Maschinen in der E-Mobilität
Anwendung finden, verfügt der Einsatz vielsträngiger Maschinen neben der
Steigerung des Wirkungsgrads bei Verbesserung der EMV über das Potential
der Auslegung von Motoren mit Redundanzeigenschaften. Dies führt zu höheren Reichweiten bei anwachsendem Drehmoment. In Verbindung mit Aspekten
wie Leichtbau und aufwandsarmer Fertigung ergeben sich vielversprechende
Möglichkeiten den Antriebsstrang zu verbessern. Unter Berücksichtigung dieser Aspekte entwickelt das IEM einen Prototyp und testet diesen in der RWTH
Plattform ”StreetScooter”. Die Auslegung des Traktionsantriebs wird an einen,
von der StreetScooter GmbH entwickelten, Fahrzyklus angepasst.
e-mosys: Modular system for drive line and chassis of electric vehicles
In the project e-mosys, promoted by the Federal Ministry of Education and
Research (BMBF) with the funding code 16N11637, a collaboration of several
institutes of RWTH Aachen University and industrial partners develops an innovative drive concept for electric vehicles. In comparison to conventional threephase machines predominantly used in e-mobility, the application of multiphase machines permits the potential of increasing the drive trains efficiency, to
enhance the torque and adopt redundancy. This immediate leads to high operating ranges and increasing torque. In conjunction with aspects such as lightweight construction and low-cost production, there are promising possibilities
to optimize the drive. Taking these aspects into account, the IEM develops an
electrical motor that will be tested in the RWTH ”StreetScooter” platform. The
machines construction gets adapted to a drive cycle, evolved by StreetScooter
GmbH.
30
Jahresbericht 2013
Forschung am IEM
Elektromobilitätslabor - eLab
Übergeordnetes Ziel des Vorhabens ist die Befähigung der deutschen Zulieferindustrie (insbesondere der KMU), erfolgreich Forschung und Entwicklung an
einzelnen Komponenten für Elektrofahrzeuge zu betreiben und diese in marktfähige Produkte umzusetzen. Voraussetzung hierfür ist die Schaffung von Randbedingungen und entsprechender Strukturen für eine auf Elektrofahrzeuge ausgerichtete Produkt- und Marktentwicklungsumgebung. Das Elektromobilitätslabor (eLab) bildet dafür einen geeigneten Nukleus. Kommunal angegliederte
Industriepartner der RWTH können vollausgestattete Prüfstände und Produktionslabore anmieten und diese mit Unterstützung der Institute nutzen. Die
Anmietung der eLab Räumlichkeiten ermöglicht den Automobilzulieferern neben dem Prüfen und Vermessen der Prototypen eine nachfolgende Fertigung in
Kleinserie.
Laboratory of electromobility - eLab
This projects superior goal is permitting the german ancillary industry (escpecially the SMEs) doing research and development successful on single components for electric vehicles and turn them into marketable products. The basis
therefore is the realization of boundary conditions and structures to get an environment for economic product development that is geared to electric vehicles.
The laboratory of electromobility (eLab) provides the convenient nucleus for
this. Industrial partners of the RWTH have the possibility to rent high equipped
test facilities and production laboratories and to use them with the assistance of
the institutes. Renting the facilities of the eLab allows the automotive suppliers
testing and examining their prototypes before producing them in small-scale
series.
Jahresbericht 2013
31
Research at IEM
Potentialabschätzung einer Drehfeldmaschine anhand thermischer Simulationen
Beim Betrieb elektrischer Maschinen entstehen Verluste die Wärmeflüsse verursachen. Für Temperaturen oberhalb der zulässigen Maximaltemperaturen, beispielsweise der der Wicklungsisolation, kann eine Beschädigung der Maschine
nicht ausgeschlossen werden. Die thermische Modellierung mittels konzentrierter Bauelemente bietet für die Auslegung elektrischer Maschinen eine hinreichende Auflösung bei geringer Rechenzeit. Es werden Messreihen am Prüfstand
aufgenommen, anhand derer ein physikalisches, thermisches Modell auf Basis
der Maschinengeometrie parametriert wird. Anschließend werden die identifizierten Parameter zur Simulation der erwarteten Temperatur einer Maschine in
der Auslegung verwendet und der Einfluss von Geometrievariationen auf die
Wärmeentwicklung untersucht.
Estimation of the Potential of a Rotating Field Machine by Thermal Simulations
The losses that occur during the operation of electrical machines appear as
heat. For temperatures above the permissible maximum temperature, e.g. of
the insulation of the winding, the machine can be damaged. Thermal modelling
using lumped-parameter models offers short computing times by maintaining
sufficient accuracy for the design of electrical machines. Measurements of an
actual machine are used to find the correct parameters for a physical, thermal
model based on the machine’s geometry. The identified parameters are used
to simulate the estimated temperatures. The influence of various geometrical
variations is studied.
32
Jahresbericht 2013
Forschung am IEM
Verbesserung des Betriebsverhaltens von PMSM für HochdrehzahlMehrfachgenerator-WEA durch Anpassung der Rotorpolgeometrie
Das Betriebsverhalten einer permanentmagneterregten Synchronmaschine kann
durch gezieltes Anpassen der Rotorpolgeometrie verbessert werden. Das Minimieren von Oberwellen im Luftspaltfeld der Maschine wird durch sogenannte
Sinusfeldpole erreicht. Dabei stellt sich heraus, dass die ausgeprägten Rotorpole sowohl die Drehmomentschwankungen, als auch die Eisenverluste in der
Maschine reduzieren. Durch den vergrößerten Luftspalt in der Querachse bildet
sich jedoch weniger Drehmoment aus, da das Reluktanzmoment vermindert ist.
Für das Bereitstellen des selben Bemessungsmoments muss die Maschine in der
Länge größer ausgeführt werden. Die PMSM mit Sinusfeldpolen ist ein möglicher Kompromiss aus Leistungsdichte und ruhigerem Betriebsverhalten.
Comparison of different rotor shapes due to variation in q-axis air-gap length.
Performance Improvement of PMSM for Wind Turbines with Multiple HighSpeed Generators Through Geometry Adaptation of the Rotor Poles
The performance of a permanent magnet synchronous generator can be improved by a geometrical variation of the rotor poles. To minimize the airgap field
harmonics a sinusoidal field is achieved by salient pole shoe shapes. As a result,
the operational behaviour is improved. For example, the torque fluctuation and
iron losses are reduced. However, the machine provides less torque because the
reluctance torque is reduced due to the larger airgap length in the q-axis. To
produce the same amount of nominal torque, the machine needs to be extended in length. A PMSM with salient shaped rotor poles is a trade-off between
the two factors power density and smoother operational behaviour.
Jahresbericht 2013
33
Research at IEM
Statistische Toleranzanalysen zur Abschätzung von Rotorexzentrizitäten
Durch die Tolerierung der einzelnen Bauteile in der elektrischen Maschine werden Abweichungen von der Idealgestalt der Maschine akzeptiert. Die Größe
dieser Abweichungen hat häufig eine direkte Wirkung auf die Luftspaltweite
und somit auf die elektromagnetischen Maschineneigenschaften. Daher ist die
Untersuchung der Wechselwirkungen und Abhängigkeiten zwischen den Tolerierungen der mechanischen Bauteile von Bedeutung, um die Auswirkungen
von fertigungsbedingten Abweichungen auf die Rotorexzentrizität besser einzuschätzen. Durch die gezielte Anwendung von statistischen Methoden können die statistisch wahrscheinlichsten Exzentrizitäten schon anhand von technischen Zeichnungen ermittelt werden. Die so ermittelten dynamischen und
statischen Rotorexzentrizitäten können als realistischere Werte für die elektromagnetische Simulation des Luftspaltfeldes genutzt werden.
Statistical tolerance analysis for estimation of rotor eccentricities
Due to the technical tolerancing of the individual components in the electrical
machine, variations from the ideal geometry of the machine are accepted. The
size of these variations have often a direct effect on the air gap width and thus
on the electromagnetic characteristics of the machine. Therefore, the study of
the interactions and dependencies between the toleranced measurements of
the mechanical components is essential in order to better assess the impact of
production variations on the rotor eccentricity. By using the tolerancing parameters of the technical drawing and statistical methods, the statistically most
likely rotor eccentricities can be estimated yet before the machine production.
The determined dynamic and static rotor eccentricities can be used as a more
realistic base for the electromagnetic simulation of the air gap field.
34
Jahresbericht 2013
Forschung am IEM
Winfit: neue Windkraftanlagen mit Leistungsverzeigung
Bei dem von der EU und NRW geförderten Projekt Winfit wird im Verbund
mit der RWTH Aachen und der Industrie eine Windkraftanlage mit neuartigem
Konzept entwickelt. Der Fokus des Konzepts ist die Verringerung von Leistungselektronikkomponenten und ein verstellbares Planetengetriebe zur Leistungsverzweigung. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, ist ein Planetengetriebe mit
zwei Sonnenrädern ausgelegt worden. Um die festgelegte Leistungskurve der
Windkraftanlage zu realisieren, wurden geeignete Pitch- und Drehzahlregler
ausgelegt. Die Frequenz des Synchrongenerators kann bei 50 Hz gehalten werden. Nach dem Aufbau der Komponenten wird ein Prüfstand erstellt und es
werden Messungen durchgeführt. Dieses Vorhaben wurde im Rahmen des aus
dem EFRE kofinanzierten operationellen Programms für NRW Ziel 2 ”Regionale
Wettbewerbsfähigkeit und Beschäftigung” 2007-2013 ausgewählt.
Servo machine
Turbine
1: Servo
3: Main shaft
5: SG
Converter
Servo
Grid
SG
Main
gearbox
Plus Planetary gearbox
Synchronous
generator
Winfit: new Wind Turbines with power split
The project Winfit, promoted by EU and NRW, is a collaboration for RWTH
Aachen University and industrial partners to develop a new concept for wind
turbines. The focus of this new concept is to minimize the power level of the
power electronic device by using an adjustable planetary gear box. In order to
increase the efficiency and to avoid the ring gear of the wind turbine, a planetary gearbox with two sun gears is designed. Proper pitch and speed controllers
have been designed in such a way that the wind turbine can realize the predefined power characteristic. The frequency of the synchronous generator can stay
at 50 Hz. In the next step a test bench will be constructed, tested and measured.
This work is promoted by the Ziel 2 programme NRW 2007-2013 ”Regionale
Wettbewerbsfähigkeit und Beschäftigung” (EFRE).
Jahresbericht 2013
35
Research at IEM
Überlastfähige und modulare Traktionsmotoren für elektrische Antriebssysteme
Im Rahmen des durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Forschungsvorhabens mit dem Förderkennzeichen 01MY12006A wird
eine Entwicklungsmethodik für elektrische Maschinen erarbeitet. Die verfolgte
Zielsetzung ist die Auslegung von E-Maschinen für die Anforderungen in Automobilen bedarfsgerechter zu gestalten. Einen Schwerpunkt bildet dabei das
thermische System. Durch eine Berücksichtigung der lokalen Unterschiede in
der Temperatur und im Wirkungsgrad kann hier Potential erschlossen werden.
Die E-Maschinen sollen bezüglich ihrer Überlastfähigkeit in dynamischen Lastkollektiven verbessert werden. Gleichzeitig soll die spezifische Leistung durch
Steigerung der Maschinenausnutzung erhöht werden. Die gefundenen Lösungen werden unter Berücksichtigung des Modulgedankens so gestaltet, dass eine Skalierbarkeit der Maschine ermöglicht wird und eine Übertragbarkeit auf
„ähnliche“ Maschinen zulässig ist. Zur Validierung der Simulation und Demonstration der Erkenntnisse wird ein Technologieträger aufgebaut.
Overload capable and modular traction motors for electric drive systems
In this research project funded by the Federal Ministry of Economic Affairs and
Energy with the reference number 01MY12006A, a development methodology
for electrical machines is worked out. The simulation methods of different disciplines are coupled. The aim is to improve the design of electrical machines
particularly with regard to the requirements of electric vehicles. One focus is
the thermal system: The local differences in temperature and the efficiency can
be considered to open up new potential. The electric machines have to be improved in terms of their overload capacity in dynamic load spectra. At the same
time, the specific power has to be increased by enhancing the utilization of the
machine. The solutions will be approached by considering the module concept
that allows scalability of the machine and transferability to „similar“ machines.
To validate the simulation and to demonstrate the new knowledge a prototype
is built.
36
Jahresbericht 2013
Forschung am IEM
Vergleich von unterschiedlichen nichtlinearen Reglern einer PMSM mit Parametervariation
Für die Regelung der permanenterregten Synchronmaschine kommen üblicherweise einfache PI-Regler zum Einsatz. Für deren Parametrierung existieren Einstellregeln, ihre Verwendung wird in der Praxis aber durch nicht genau bekannte bzw. schwankende Maschinenparameter erschwert. Es wurde untersucht, ob
die Verwendung von speziellen, robusten Regelverfahren in Hinblick auf Regelgüte und Implementierungsaufwand Vorteile bieten kann. Entworfen wurden
ein fest parametrierter Regler mit explizitem inneren Modell sowie ein adaptiver Regler. Nach einer Simulation wurden beide Regler am Prüfstand eingesetzt. Messungen bei verschiedenen Parameterfehlern des den Reglern zugrunde liegenden Maschinenmodells zeigten, dass die beiden Regler sinnvolle
Alternativen zur PI-Regelung darstellen.
GR,v (s)
Referenzmodell
yref
GR,r (s)
G(s)
Reglerparameter
Adaptionsgesetz
Regler
u
y
Regelstrecke
GM (s)
−
w
Comparison of different non-linear controllers for a PMSM based on parameter variation
Usually, simple PI-Controllers are used for the PMSM control. Design rules can
be used for the calculation of the controller parameters, but unknown or changing machine parameters impede their usage. The study examined whether
robust control principles are advantageous regarding performance and implementation. An internal model controler with fixed parameters and an adaptive
controler structure were designed. After a simulation the controllers were implemented for a test bench. Measurements for various cases of faulty machine
model parameters showed that the controlers are a reasonable alternative to
PI-controlers.
Jahresbericht 2013
37
Research at IEM
Modularer Antriebsstrang: MAs:Stab
StreetScooter
MAs:Stab ist ein öffentlich gefördertes Forschungsvorhaben, in welchem beabsichtig wird, zu einer beschleunigten Verbreitung von Fahrzeugen mit elektrifizierten Antriebssträngen beizutragen. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf der
technologischen Weiterentwicklung des elektrischen Antriebsstrangs mit dem
Ziel Effizienz, Leistungsfähigkeit, Fahrdynamik sowie die Sicherheit von Elektrofahrzeugen zu erhöhen.
Die Modularität bietet die Möglichkeit, je nach Anforderung eine oder mehrere
elektrische Maschinen einzusetzen. Dies ermöglicht neue Funktionen, wie dynamische Drehmomentverteilung (auch Torque-Vectoring). An die Maschinen
werden dadurch hohe Anforderungen hinsichtlich der Drehmomentgenauigkeit und -dynamik gefordert. Der Fokus des IEM in MAs:Stab liegt neben der
hochgenauen Modellierung der Asynchronmaschine auf der Untersuchung der
Fertigungsstreuung der eingesetzten elektrischen Maschine.
Modular drive train: MAs:Stab
In context of the government-financed project MAs:Stab modular drive trains
for electric vehicles are studied. Aim of the project is to increase the speed of
market penetration for vehicles with electrified drive trains. One of the keys to
reach this are technical advancements of the drive train with the aim to reach
higher efficiency, performance, driving dynamics, and safety.
The modularity permits to use the same electric machine in different quantities to match individual requirements. This allows implementing new functions
such as torque-vectoring. For the machines this gives extended requirements
with respect to torque dynamics and accuracy. Hence the focus of the IEM is on
a highly accurate induction machine model and the investigation of manufacturing deviation on the machine.
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Jahresbericht 2013
Forschung am IEM
Dynamische Drehmomentverteilung (DDV) in Elektrofahrzeugen
In der Automobilindustrie ist die Fahrsicherheit stets eines der wichtigsten Themen. Insbesondere bei einer Kurvenfahrt oder einer Notlenkung ist es lebensgefährlich wenn das Fahrzeug unter- oder übersteuert. Die in den 90er Jahren
von BOSCH entwickelte ESP-Technik dient dazu, in diesem Falle das Fahrzeug
auf der erwünschten Bewegungsbahn zu halten. Jedoch wird die Fahrdynamik
durch einen Bremsvorgang beeinträchtigt. Demgegenüber erzielt die DDV die
gleiche Funktion, wobei statt einer Radbremsung eine zusätzliche Antriebskraft
an den Rädern ausgeübt wird. Um die DDV Applikation zu implementieren,
ist eine spezielle Differentialanordnung - Kegelraddifferential mit einem Eingangsträger und Seitenradausgängen - erforderlich. Im Gegensatz dazu kann
diese Anordnung in Elektrofahrzeugen durch den Einsatz zweier mechanisch
entkoppelter Elektromotoren an der Antriebsachse ersetzt werden. Je nach Anforderungen des Fahrers und dem aktuellen kinematischen Fahrzeugzustand
können die entsprechenden Antriebsmomente durch separate Ansteuerungen
beider Elektromotoren flexibel eingestellt und geregelt werden.
Dynamic Torque Distribution (DDV) in electric vehicles
In the automobile industry the driving safety is always one of the most important subjects. It is in particular perilous during cornering or emergency steering
if the vehicle under- or oversteers. The ESP technology developed by BOSCH
in 1990s helps the vehicle in such a critical case keep in the desired trajectory.
However, the drive dynamic is impacted due to braking. In contrast the DDV
achieves the same functionality by applying an additional drive force on the tire instead of brake. To implement the DDV application in conventional vehicles
a special differential device - bevel differential gear with a bearing input and
side outputs - is necessary. By contrast this device can be replaced in electric
vehicles by using two mechanically decoupled electric motors. According to the
driver requirements and the current kinematic state of vehicle the appropriate
drive torques can be regulated and controlled flexibly by separate control of
both motors.
Jahresbericht 2013
39
Research at IEM
Forschungsprojekt e-generation
Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
geförderten Forschungsprojekts e-generation (Förderkennzeichen 13N11867)
werden in Zusammenarbeit mit der Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG, der Robert
Bosch GmbH und weiteren Forschungseinrichtungen Schlüsseltechnologien für
die nächste Generation der Elektrofahrzeuge erforscht. Hauptziele sind die Reduzierung des Energiebedarfs und der Kosten des Fahrzeugs. So sollen im Vergleich zu bisherigen Elektrofahrzeugen die Reichweite um 38 % gesteigert werden unter gleichzeitiger signifikanter Reduzierung der Kosten. Am IEM werden
unter anderem Maschinenkonzepte untersucht, die sich durch deutlich höhere Drehzahlen von bisherigen Traktionsantrieben in Elektrofahrzeugen unterscheiden. Dazu ist eine Erweiterung bestehender Verlustmodelle für die angestrebten Frequenzbereiche erforderlich. Im Rahmen des Projektes werden
mehrere Demonstrationsfahrzeuge aufgebaut, die an der Vorderachse mit IEMMotoren angetrieben werden.
Research project e-generation
In cooperation with Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG, Robert Bosch GmbH and further research facilities, key technologies for the next generation of electric vehicles are investigated. The project e-generation is funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) with reference number 13N11867.
The main objectives are to reduce the energy demand to increase the driving
range by 38 % with a significant reduction of the costs compared to previous
full electric vehicles. At the IEM, one essential aim is to study electrical machines with significant higher speeds compared to previous electric traction drives.
Therefore, an extension of existing models to estimate iron losses to the desired
frequencies is necessary. Within this project, several demonstrator cars will be
build up. Their front axles will be powered by machines designed at the IEM.
40
Jahresbericht 2013
Forschung am IEM
Strukturdynamische Simulation und Vermessung elektrischer Maschinen
Die strukturdynamische Simulation elektrischer Maschinen ist ein adäquates
Mittel, um elektrische Maschinen bereits während des Entwicklungsprozesses,
hinsichtlich ihrer akustischen und schwingungstechnischen Eigenschaften, zu
bewerten. Eigenfrequenzen und Eigenformen der Struktur elektrischer Maschinen werden ermittelt und mit Prüfstandsmessungen validiert, um Materialeigenschaften zu identifizieren. Über Einheitskraftübertragungsfunktionen kann
das lineare Verhalten der Struktur auf eine Anregung mit Einheitskraftdichtwellen beschrieben werden. Kraftdichtewellen entstehen durch das magnetische Feld im Luftspalt der elektrischen Maschinen, wirken auf die Innenseite
des Stators und setzen sich durch diesen bis zur Maschinenoberfläche fort. Die
Oberfläche wird zu Schwingungen angeregt und trägt somit zur Schallabstrahlung der elektrischen Maschine bei. Die Übertragungsfunktionen können als
multidimensionale Tabellen hinterlegt werden und erlauben eine Beschreibung
der Maschinenstruktur zu beliebigen Betriebspunkten.
Structural Dynamic Simulation and Measurement of Electrical Machines
The structural dynamic simulation of electrical machines is an appropriate tool
to improve electrical machines in an early design stage, in consideration of
their acoustic and vibration properties. Eigenfrequencies and eigenmodes of the
electrical machine’s structure are evaluated and validated by test bench measurements in order to identify material properties. Unit-force transfer functions
describe the linear behavior of the structure when it is excited with unit-force
waves. Force density waves are caused by the magnetic field in the machine’s
air gap. They act on the inner stator side and are transferred to the machine’s
surface. The surface is animated to resonate and contributes to the sound radiation. The transfer functions can be saved as multidimensional tables and allow
the description of the machine’s structure for arbitrary operating points.
Jahresbericht 2013
41
Research at IEM
Elektrifizierung mobiler Arbeitsmaschinen
Die Potenziale für die Elektrifizierung von mobilen Arbeitsmaschinen werden
heutzutage viel diskutiert. Elektrische Maschinen weisen einen höheren Wirkungsgrad insbesondere im Teillastbereich und bessere Regelbarkeit gegenüber
den hydraulischen Antrieben auf, welche im Gebiet der Landwirtschaftstechnik
üblich sind. Der Einsatz eines Elektromotors als Vorderachsantrieb eines Ackerschleppers kann als Beispiel betrachtet werden. Eine besondere Herausforderung stellt die hohe Drehzahlspreizung dar. Stark limitierter Bauraum erfordert
eine hohe Leistungsdichte des Elektromotors, weshalb eine permanenterregte Synchronmaschine zum Einsatz kommen soll. Die Auslegung eines anwendungsgerechten Antriebs wird im Projekt durchgeführt.
Electrification of mobile machinery
The possibilities for the electrification of the agricultural machinery are often
discussed. Electric machines have higher efficiency, especially at partial load
and better controllability when compared to the hydraulic actuators, which are
common in the agricultural tractors and devices. The utilization of an electric
motor as a wheel drive of an agricultural tractor is considered as an example.
The particular challenge is the wide speed range. Limited space requires a high
power density of the electric motor. A permanent magnet synchronous machine
will be used in the project. A practically applicable in-wheel drive is designed.
42
Jahresbericht 2013
Forschung am IEM
Die permanentmagneterregte Synchronreluktanzmaschine (PMSynRM) Parameterstudie zur Magnetkreisoptimierung
Die PMSynRM ist eine permanentmagneterregte Synchronmaschine (PMSM)
mit auf Reluktanzmoment optimiertem Maschinendesign. Für die Optimierung
steht die Auslegung des Magnetkreises der Maschine, z. B. durch Parametervariation in den Flusssperren des Rotors, im Vordergrund. Zielsetzung ist dabei
die Abschätzung des Potentials dieser Maschine und der Vergleich mit einer typischen PMSM, z. B. mit vergrabener V-Struktur für das PM-System. Es ergeben
sich neue Freiheitsgrade in Bezug auf die Auslegung der Rotorgeometrie, da
durch eine mehrlagige Flusssperrenstruktur das Reluktanzmoment beeinflusst
werden kann.
Luftspalt
dfp
Magnet
155◦
145◦
135◦
Flusssperre
Permanentmagnet synchronous reluctance machine (PMSynRM) - parameter study for optimization of magnetic circuit
The PMSynRM is a permanent magnet synchronous machine (PMSM) with reluctance torque. To improve the performance of the machine, the design of the
magnetic circuit, for instance by parameter variation of the flux barriers, is important. The estimation of the potential of the PMSynRM and the comparison
to typical PMSMs, for example V-shaped buried permanent magnet topologies,
is a major purpose. With a multi layer PMSynRM additional degrees of freedom
in the design of the rotor geometry are enabled, which offers an optimization
of the reluctance torque in the machine.
Jahresbericht 2013
43
Research at IEM
Simulation und Vermessung von Käfigläufer-Asynchronmaschinen
Für die numerische Berechnung von Käfigläufer-Asynchronmaschinen sind Beschaltungsparameter, z. B. Wickelkopfinduktiviät oder der Rotorwiderstand,
meist unzureichend bekannt. Neben der Temperatur wird der Rotorwiderstand
auch durch Übergangswiderstände zwischen Stab und Kurzschlussring oder
durch Rotorstabquerströme beeinflusst. Durch diese Unsicherheiten im Rotorwiderstand können Simulationsergebnisse starke Abweichungen im Vergleich
zur Messung aufweisen. Am Institut für Elektrische Maschinen wurde ein Prüfstand zur Identifikation von Ersatzschaltbildparametern aus Messungen bei Umrichterbetrieb aufgebaut. Die ermittelten Ersatzschaltbildparameter konnten zur
Parametrierung der FE-Berechnung genutzt, wodurch die Genauigkeit der numerischen Berechnungen signifikant erhöht werden konnte.
Quelle: IEEE Std 112 - 2004
Figure 2—Equivalent circuit
V1
V2
f
I1
I2
Im
is phase voltage, in V
is rotor phase voltage referred to the stator, in V
is frequency, in Hz
is line or stator current, in A
is rotor current referred to stator, in A
is magnetizing current in A
Quelle: www.kienle-spiess.de
Simulation and Measurement of squirrel cage induction machines
For the numerical simulation of squirrel cage induction machines, circuit parameters (e.g. end winding inductance, or rotor resistance) are often known
inadequate. The rotor resistance is influenced by temperature, transitions between the rotor bar and rotor cage, or for example by inter-bar currents. Due to
this uncertainties, especially in the rotor resistance, simulation results can offer strong deviations compared to measurements. At the Institute of Electrical
Machines a test-bench is designed to identify equivalent circuit parameters of
inverter-fed induction machines by measurements. The equivalent circuit parameters were used to parametrize a Finite Element model of the induction
machine, whereby the accuracy of the simulation was increased significantly.
44
Jahresbericht 2013
Forschung am IEM
Lebensdaueruntersuchung von E-Motoren für E-Fahrzeuge
In diesem Projekt sollen Lebensdauerunteruchungen für den dynamischen Betrieb von Elektroautos untersucht werden. Das Wicklungssystem ist die elektrische Komponente, welche die Lebensdauer einer elektrischen Maschine am
stärksten bestimmt. Die dominanten Alterungsfaktoren bei der Wicklung sind
die Temperatur und Temperaturspiele. Anderseits steigt die Bemessungsleistung und Bemessungsstrom einer Maschine bei Erhöhung der maximal zulässige Temperatur. Anhand der Ergebnisse der Lebensdaueruntersuchungen von
elektrischen Maschinen ist es möglich, die Bemessungsleistung einer Maschine an die anvisierten Lebensdauer anzupassen. Damit wird eine Reduktion der
Kosten und Energie und eine bessere Ausnutzung der Ressourcen erreicht.
Life time investigation of electrical machines in electrical vehicles.
This project is based on the life time investigation for the dynamic operation of
electrical machines. Among the components of an electrical machine, winding’s
insulation system decides its life time while machine’s insulating materials are
mainly aged by temperature and its effects. Nevertheless the nominal power
and current of a machine can be increased if the maximum allowable temperature is increased. By means of life time investigation in electrical machines it is
possible to adapt the expected life time of a machine to its application. This allows a reduction in cost, energy and a better utilisation of natural resources.
Jahresbericht 2013
45
Research at IEM
Induktive Energieübertragung für berührungslose Aufzugsysteme
Am Institut für Elektrische Maschinen wird ein seilloser Aufzugprüfstand dahingehend erweitert, dass neben dem Linearantrieb, der das klassische Seil ersetzt, auch eine elektromagnetische Linearführung den Fahrkorb berührungslos
im Schacht positioniert. Die hierfür benötigte elektrische Energie soll ebenfalls
berührungslos auf die Kabine übertragen werden. Hierzu wurde der Prototyp
einer kontinuierlichen, induktiven Energieübertragungsstrecke entwickelt. Diese besteht aus einem segmentierten Primärleiter, der in HF-Litze ausgeführt ist
und einem E-förmigen Aktor aus hochpermeablem Weichferrit, auf dem sich
die Sekundärwicklung befindet. Die Leistungsübertragung wurde erfolgreich
an unterschiedlichen Positionen getestet. Das System ist sehr robust und die
im Betrieb auftretenden Schwingungen beeinflussen die Übertragungsfähigkeit
nur sehr wenig.
Prototyp der induktiven Energieübertragungsstrecke und seilloser Aufzug.
Inductive energy transmission for contactless elevator systems
At the Institute of Electrical Machines a ropeless elevator test bench is extended by an electromagnetic linear guiding. The required energy for this purpose
has to be delivered without mechanical contact. A prototype of a continuous,
inductive energy transmission is developed. A segmented primary conductor,
consisting of HF-litz wire and an E-shaped soft ferrite actuator with the secondary winding form the transmission path. The robustness of the system to
oscillations due to the operation of the guiding is verified at the test bench.
46
Jahresbericht 2013
Forschung am IEM
Wirkungsgradvermessung eines doppeltgespeisten Asynchrongenerators
einer 850 kW Windenergieanlage
Im Rahmen des Hightech.NRW Verbundprojektes wurde der Generator einer
Vestas V52 850 kW Windenergieanlage auf einen 1 MW Systemprüfstand vermessen. Dabei wurden Wirkungsgradverläufe des Generators in zwei unterschiedlichen Betriebsarten ermittelt: im synthetischen Betrieb wurde der Generator als Asynchrongenerator mit kurzgeschlossenem Läufer betrieben und
im HIL-Betrieb (Hardware-in-the-Loop) als doppeltgespeister Asynchrongenerator. Die beiden Wirkungsgradverläufe konnten anschließend Auskunft über die
tatsächlichen Wirkungsgradpunkte geben, die von dem Generator in der Praxis gefahren werden: der maximale Wirkungsgrad von 94,4 % wird aufgrund
der hohen Drehzahlen (über 1000 min−1 ) im normalen Betrieb nicht erreicht.
Dieses Vorhaben wurde im Rahmen des aus dem EFRE kofinanzierten Operationellen Programms für NRW Ziel 2 „Regionale Wettbewerbsfähigkeit und
Beschäftigung“ 2007–2013 ausgewählt.
12 – 24m/s
11m/s
10m/s
9m/s
8m/s
7m/s
6m/s
5m/s
Efficiency Measurement of the Doubly-fed Induction Generator of a 850
kW Wind Turbine
As part of the Hightech.NRW joint project, the generator of a Vestas V52 850
kW wind turbine was measured on a 1 MW system test bench. Efficiency characteristics in two different operation modes were hereby determined: in the
synthetic mode the generator is operated as an induction generator with shortcircuited rotor and in the HIL-mode (Hardware-in-the-Loop) as a doubly-fed
induction generator. Based on the two operation modes actual operating points
of the generator could then be identified: the generator never reaches the maximum efficiency of 94.4 %, due to the higher speeds (over 1000 min−1 ) that
occur in field operation of the wind turbine. This work is promoted by the Ziel
2 programme NRW 2007–2013 „Regionale Wettbewerbsfähigkeit und Beschäftigung“ (EFRE).
Jahresbericht 2013
47
Research at IEM
Wirtschaftliche Bewertung unterschiedlicher Multi-Megawatt Windenergieanlagenkonzepte (WEA) basierend auf Stromgestehungskosten
Im Rahmen dieser Bewertung werden als konventionelle Triebstrangkonzepte
WEA mit doppeltgespeistem Asynchrongenerator (DFIG), mit direktangetriebenem elektrisch erregten (DD EESG) oder permanentmagneterregten Synchrongenerator (DD PMSG) und mit zweistufigem Getriebe und mittelschnelllaufendem permanentmagneterregten Synchrongenerator (2G PMSG) betrachtet. Als
alternative Konzepte werden in dem Vergleich WEA mit mehreren HochdrehzahlGeneratoren (Multi-Gen.) oder mit elektromechanischer Leistungsverzweigung
(Mech.Leist.Verzw.) einbezogen. Die Berechnung der Stromgestehungskosten
(Cost of Energy, CoE) beinhaltet dabei sowohl die Kapital- und Betriebskosten, als auch die Verfügbarkeit der Anlagen. Der Energieertrag wird hingegen
ausgehend von einer Weibull-Windverteilung der IEC Windklasse IV ermittelt.
Dieses Vorhaben wurde im Rahmen des aus dem EFRE ko-finanzierten Operationellen Programms für NRW Ziel 2 „Regionale Wettbewerbsfähigkeit und
Beschäftigung“ 2007–2013 ausgewählt.
CoE in ct/kWh
DFIG
DD EESG
DD PMSG
2G PMSG
Multi-Gen.
Mech.Leist.Verzw.
7.19
2
8.72
6
8.13
7.10
5
1
7.75
7.40
4
3
Economical Assessment of Different Multi-megawatt Wind Turbine (WT)
Concepts based on the Cost of Energy (CoE)
For this assessment the following conventional drive train concepts are regarded: WT with doubly-fed induction generator (DFIG), WT with direct-driven
synchronous generator with electrical excitation (DD EESG) or with permanent
magnets (DD PMSG) and WT with a 2-stage gearbox and a medium-speed permanent magnet synchronous generator (2G PMSG). The WT concept with multiple high-speed generators (Multi-Gen.) and the WT with electromechanical
power-split (Mech.Leist.Verzw.) are also included in this comparison as alternative concepts. The evaluation of the CoE comprises investment and operational
costs, as well as availability of the WT. The energy yield is determined based on
a Weibull wind distribution for the IEC wind class IV. This work is promoted by
the Ziel 2 programme NRW 2007–2013 „Regionale Wettbewerbsfähigkeit und
Beschäftigung“ (EFRE).
48
Jahresbericht 2013
Abgeschlossene Dissertationen
Abgeschlossene Dissertationen 2013
Completed Dissertations 2013
IEMTalar
Jahresbericht 2013
49
Completed Dissertations
Anforderungsgerechte Auslegung eines linearen Direktantriebs für vollständig implantierbare Herzersatzsysteme
Marc Lessmann, 2013
Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind mit Abstand
die häfigste Todesursache in industrialisierten Ländern. Die terminale Herzinsuffizienz
als Endstadium dieser Erkrankungen erfordert
den Einsatz eines Herzunterstützungssystems
oder im äußersten Fall die Implantierung eines Spenderherzens. Dem stetig ansteigenden
Bedarf steht jedoch eine weitaus geringere,
stagnierende Anzahl an Spenderherzen gegenüber, so dass Alternativen in Form von Herzersatzsystemen unumgänglich sind, um eine Behandlung aller auf der Warteliste aufgeführten
Patienten zu ermöglichen.
Zwischenzeitlich ist eine Vielzahl an Herzersatzsystemen entwickelt worden, die größtenteils jedoch nicht über das Experimentalstadium hinausgekommen sind. Zu
hoch sind die Systemanforderungen wie technische Lebensdauer, Redundanz,
Miniaturisierung, Hämokompatibilität und Minimierung des Infektionsrisikos.
Bei gleichzeitiger Einhaltung aller kardiovaskulären Anforderungen unter vorzugsweise pulsatiler Perfusion sowie einem angemessenen Maß an Aufrechterhaltung der Lebensqualität des Patienten liegt bislang kein System vor, das
allen Erfordernissen simultan gerecht wird.
Das globale Ziel, das in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Angewandte Medizintechnik (AME) der RWTH Aachen verfolgt wird, ist die Bereitstellung eines pulsatilen Herzersatzsystems, das erstmals alle diese Anforderungen gleichzeitig erfüllt. Dabei steht im Fokus der vorliegenden Arbeit die Entwicklung
und Evaluierung eines auf diese Anforderungen optimal zugeschnittenen Antriebs.
Den Grundstein dafür legen die durch eine Literaturrecherche zusammengestellten kardiovaskulären Normwerte, die eine technische Spezifizierung des
50
Jahresbericht 2013
Abgeschlossene Dissertationen
Herz-Kreislauf-Systems erlauben. In Verbindung mit den Erfordernissen für einen langfristigen Einsatz wird ein Anforderungsprofil erstellt, anhand dessen das
Konzept eines linearen Direktantriebs als optimale Antriebsvariante abgeleitet
wird. Durch den Aufbau und die Vermessung eines ersten Prototyps in Form einer Tauchspule wird das Konzept validiert. Obwohl die Tauchspule die kardiovaskulären Anforderungen nur teilweise einhält, weist das Konzept des linearen Direktantriebs erstmals das Potential auf, alle Kriterien für den langfristigen
Einsatz simultan zu erfüllen.
Aufbauend auf dem Konzept des linearen Direktantriebs wird anhand einer
Konzeptstudie ein auf alle Systemanforderungen zugeschnittener Antrieb entwickelt. Ausgehend von der Grobauslegung der daraus hervorgegangenen Topologie mit magnetischer Flusskonzentration erfolgt eine umfassende Konzeptvalidierung anhand eines zweiten Prototyps. Neben dem Flusskonzentrator an
sich, einschließlich seiner peripheren Antriebskomponenten, umfasst die Validierung Langzeitversuche zur Lebensdaueranalyse kritischer Systemkomponenten sowie Untersuchungen zur Hämokompatibilität des Antriebssystems. Mit
der erfolgreichen Analyse des Gesamtsystems in-vitro und in-vivo wird die Evaluierung abgeschlossen.
Basierend auf den daraus gewonnenen Erkenntnissen findet abschließend mittels genetischer Algorithmen eine detaillierte Optimierung des Flusskonzentrators im Hinblick auf die Abdeckung des gesamten Anforderungsprofils statt.
Als Ergebnis liegt ein Antrieb für das vom AME entwickelte Herzersatzsystem
vor, das im Vergleich zu allen bisherigen Systemen dem natürlichen Herzen am
nächsten kommt und somit das größte Potential auf eine Alternative zu Spenderherzen hat.
Jahresbericht 2013
51
Completed Dissertations
Wirkungsgradoptimierte Auslegung normalkraftbehafteter BLDC Scheibenläufermotoren zum Einsatz in Herzunterstützungssystemen
André Pohlmann, 2013
In industrialisierten Staaten führen Erkrankungen des Herzkreislaufsystems die Statistik der häufigsten Todesursachen an. Nach
der Diagnose werden die Patienten zunächst
mit Medikamenten und falls erforderlich in
letzter Instanz durch eine Herztransplantation
behandelt. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von Spenderorganen, kann nicht allen Patienten eine Herzverpflanzung angeboten werden.
Herzunterstützungssysteme stellen eine Therapiealternative zur Herztransplantation dar.
Sie werden dem Patienten zusätzlich zum nativen Herzen implantiert und unterstützen in
ihrer Funktion den menschlichen Körper mit
einer ausreichenden Durchblutung zu versorgen. Als Voraussetzung muss das
native Herz noch über eine Restfunktionalität verfügen. Da ein Herzunterstützungssystem nicht auf eine Organspende angewiesen ist, stellt es eine für alle
Patienten verfügbare Behandlung in Aussicht.
Je nach Krankheitsbild und dessen Ausprägung steigen die Anforderungen an
das Herzunterstützungssystem von einem kurzfristigen Einsatz mit einer teilweisen Entlastung des Herzens bis zu einem Langzeiteinsatz, bei dem das Herz
nahezu vollständig entlastet wird. Neben dem Aufbringen einer ausreichenden Pumpleistung muss im letztgenannten Fall besonderes Augenmerk auf die
Vermeidung von Infektionen und der Bereitstellung eines ausfallsicheren Herzunterstützungssystems im wartungsfreien Betrieb gelegt werden. Eine für den
Patienten schonende, gering invasive Implantation, erfordert kleine äußere Abmessungen des Herzunterstützungssystems. Dadurch verschärfen sich die Systemanforderungen insbesondere in Hinsicht auf eine mögliche Schädigung des
Blutes.
52
Jahresbericht 2013
Abgeschlossene Dissertationen
In enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Angewandte Medizintechnik
(AME) der RWTH Aachen Universität wird ein Herzunterstützungssystem zur
Entlastung des linken Ventrikels entwickelt, das erstmalig alle zuvor genannten
Anforderungen erfüllt. Durch die Integration ganzheitlicher Optimierungsansätze in den Auslegungsprozess des elektrischen Motors, wird in dieser Arbeit
der Antrieb bestmöglich auf die Systemanforderungen zugeschnitten.
Dies beginnt mit der Entscheidung für einen kontaktfrei gelagerten BLDC Scheibenläufermotor, der die Vorteile eines kompakten Designs und einer hohen
Zuverlässigkeit in sich vereint. Zur Aufnahme der Normalkräfte des einseitig
ausgeführten Motors wird ein rein passives Hybridlager konzipiert, das eine
hohe Lebensdauer gewährleistet. Während des Auslegungsprozess werden die
im Motor auftretenden ohmschen und Wirbelstromverluste identifiziert. Da sich
diese Verluste gegensätzlich entwickeln, kommen Optimierungsansätze zur Anwendung um den Wirkungsgrad des Motors zu maximieren. Als Folge wird das
Auftreten von Blutschädigung durch Denaturierung verhindert. Zusätzlich wird
die bei Einsatz eines transkutanen Energieversorgungssystems notwendige Pufferbatterie geschont.
Durch die Auswahl einer geeigneten Leistungselektronik wird aus der hybriden
Lagerung und dem BLDC Motor das Antriebssystem des Herzunterstützungssystems festgelegt. Dieses wird im Anschluss erfolgreich am Prüfstand evaluiert.
Die noch nicht abgeschlossene Evaluierung des gesamten Herzunterstützungssystems durch das AME im Blutlabor und in vivo wird abschließend erläutert.
Jahresbericht 2013
53
Completed Dissertations
54
Jahresbericht 2013
Diplom-, Master- und Studienarbeiten
Diplom-, Master- und Studienarbeiten ab 2013
Diploma, master- and bachelor theses from 2013
Studienarbeiten 2013
Herr
Jonas
Coerne
Schulte-
Direkte Interaktion zur Simulation und Analyse
elektromagnetischer Felder
Direct Interaction for Simulation and Analysis
of Electromagnetic Fields
Herr Maximilian Bereck
Einrichtung eines Controller Area Networks
(CAN) zur automatisierten Steuerung und
Messdatenerfassung eines elektrischen Antriebsprüfstandes
Backfitting an electric drive test bench by introducing CAN (Controller Area Network) for
automated measurement-data acquisition and
control
Herr David Haberschusz
Vergleich verschiedener Rotortopologien permanentmagneterregter
Synchronmaschinen
mit toleranzbehafteten Komponenten
Comparison of different rotor topologies of permanent excited synchronous machines presenting tolerances
Herr Frank Hecht
Nachbildung von Windlasten für einen Windkraftanlagenprüfstand kleinerer Leistungsklasse
Simulation of wind loads for a small scale wind
turbine test bench
Jahresbericht 2013
55
Diploma, master- and bachelor theses
Bachelorarbeiten 2013
Herr Alexander
precht
Lam-
Ableitung eines ressourcenschonenden Maschinendesigns einer mehrsträngigen PMSM zum
Einsatz als KFZ-Fahrzeugantrieb
Design of a resource-keeping multi-phasis motor design to be used as a traction drive for
power-driven vehicles
Herr Florian Kaumanns
Wirkungsgradoptimiertes Design von BLDC
Motoren für den Antrieb eines Herzunterstützungssystems
Energy efficient design of a BLDC disc type motor for operating a Verntricular Assist Device
Herr Alexander Gospodinov
Analyse und Modellierung des Energieumsatzes
von Nebenaggregaten von Werkzeugmaschinen
Analysis and modeling of the energy consumption of ancillary components of machine tools
Herr Tobias Duda
Vergleich unterschiedlicher Generatorkonzepte
für Windenergieanlagen mithilfe analytischer
Grobauslegungen
Comparison of different generator concepts for
wind turbines by means of rough analytical design
56
Jahresbericht 2013
Diplom-, Master- und Studienarbeiten
Frau Hye-Yeong Kim
Fahrzyklusgerechte Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads einer permanenterregten Synchronmaschine zum Einsatz als Traktionsantrieb
Improving the permanent excited synchronous
machines overall effiency used as a traction
drive regarding a driving cycle
Herr Andreas Schmitz
Interpretation des Messunterschieds von
Single-Sheet-Messungen im Vergleich zu
Messungen am Epsteinrahmen
Interpretation of the difference of measurement
results by a single-sheet-tester compared to Epstein frame measurements
Herr Sebastian Kehne
Modellierung von Permanentmagneten in zweidimensionaler
Finite-Elemente-Simulation
elektrischer Maschinen: I. Wirbelstromverluste
Modeling of permanent magnets in twodimensional finite-element-simulation of electrical machines: I. eddy current losses
Herr Denis Kinze
Entwicklung einer Antriebseinheit zur aktiven
magnetischen Lagerung einer Blutpumpe mit
axial freischwebendem Rotor
Development of an active magnetic bearing
control unit for a blood pump with an axially
levitated rotor
Jahresbericht 2013
57
Diploma, master- and bachelor theses
Herr Aaron Maleki
Implementierung von Regelkonzepten für den
Linearantrieb eines Magnetschwebezuges im
Maßstab 1:50
Implementation of control strategies for the linear motor of a magnetically levitated train in
scale 1:50
Frau Kongmin Zhang
Optimierte Wirkungsgradregelung für eine
Asynchronmaschine zur Verwendung in elektrifizierten Fahrzeugen
Optimal efficiency control of induction machines for electrical vehicles
Herr Adrian Seidel
Optimierung eines ressourcenschonenden Maschinendesigns einer mehrsträngigen PMSM
für den Einsatz als Traktionsantrieb
Optimization of a resource-keeping multiphasis motor to be used for power-driven vehicles
Herr Urs Jörgen Langwadt
Untersuchung von Effizienz und Kosten einer
permanenterregten Synchronmaschine in Abhängigkeit der Magnettaschengestaltung
Examination of efficency and costs of a permanent excited synchronous machine depending
on the magnetslot shape
Frau Astrid Böckmann
Untersuchung der Drehmomentschwankungen
einer permanenterregten Synchronmaschine
für den Einsatz als Traktionsantrieb
Analysis of cogging torque occuring in a permanent excited synchronous machine for traction
drives
58
Jahresbericht 2013
Diplom-, Master- und Studienarbeiten
Herr Thomas Schornstein
Modellierung von Sättigungseffekten in Asynchronmaschinen zum modularen Einsatz als
Traktionstrieb
Modeling Saturation Effects of Induction Machines for Modular Propulsion Drive Concepts
Herr Hagen Stille
Einflüsse von Laserschneiden auf die magnetischen Eigenschaften nichtkornorientierter Elektrobleche
Effects of Laser Cutting on Magnetic Properties
of Non-Grainoriented Electrical Steel Sheets
Herr Rodrigue Narcisse
Nanfah Manfouo
Entwicklung eines parametrierbaren magnetodynamischen Elektroblechmodells
Development of a Parametric Magneto-dynamic
Model of Electrical Steel Laminations
Herr Johannes Ockenfels
Einflüsse der Laserparameter auf die magnetischen Eigenschaften beim Schneiden nichtkornorientierter Elektrobleche
Effects of Laser Cutting on Magnet Properies of
Non-Grainoriented Electrical Steel Sheets
Jahresbericht 2013
59
Diploma, master- and bachelor theses
Diplom-, Masterarbeiten 2013
Herr Andreas Thul
Vergleich von unterschiedlichen nichtlinearen
Reglern einer PMSM mit Parametervariationen
Comparison of different non-linear controllers
for a PMSM based on parameter variation
Herr Max Rech
Sensorlose Drehmomentregelung für permanenterregte Synchronmaschinen im niedrigen
Drehzahlbereich
Sensorless Torque Control for Permanent Magnet Machines in Low Speed Range
Herr Jörg Wilhelm Seidler
Entwicklung einer Antriebs- und Messeinheit
für rheometrische Anwendungen
Development of an actuation- and measurement unit for rheometric applications
Frau Wenting Luo
Berechnung und Analyse nicht-linearer Wirbelstromverluste in Elektroblechen
Calculation analysis of non-linear eddy-current
losses in electrical steel laminations
Herr Peter Laumen
Kombination einer berührungslosen Energieübertragungsstrecke und einer Linearführung
unter Verwendung von Pulververbundwerkstoffen
Combination of a contactless power supply and
magnetic guiding system using SMC
60
Jahresbericht 2013
Diplom-, Master- und Studienarbeiten
Herr Frank Hecht
Vermessung und Untersuchung von thermischen Einflüssen auf Maschinenkomponenten
Measuring and investigation of thermal influence on machine components
Herr Maximilian Bereck
HiL Simulation eines Achsprüfstandes für elektrische Fahrzeugantriebe
HiL simulation of an axle test bench for electric
drivetrains
Herr Yitang Zhou
Drehschwingungsdämpfung im elektrischen
Antriebsstrang mittels modellbasierter prädiktiver Regelung am Beispiel einer Asynchronmaschine
Torsion vibration damping in electric drive train
by means of model predictive control using the
example of an induction machine
Herr Christian Krüttgen
Erweiterung der elektromagnetischen FEMBibliothek iMoose um einen transienten 3D Ansatz basierend auf dem magnetischen Skalapotential
Extension of the electromagnetic FEM library
iMoose by a transient 3D formulation on basis
of the magnetic scalar potential
Frau Aryanti Kusuma Putri
Auslegung und Aufbau einer kontaktlosen
Energieübertragungsstrecke für Aufzugsysteme
Design and build-up of a contactless power supply for elevator systems
Jahresbericht 2013
61
Diploma, master- and bachelor theses
Herr Kamil Marek Hermanski
Berücksichtigung
von
Schnittkanteneffekten zur verbesserten Auslegung von
elektrischen Maschinen am Beispiel eines
Asynchronmaschinen-Traktionsantriebs
Consideration of cutting edge effects for the improved design of electric machines on the example of an induction machine traction drive
Herr Thorsten Kurpat
Potentialabschätzung einer Drehfeldmaschine
anhand thermischer Simulationen
Estimation of the potential of a rotating field
machine by thermal simulations
Herr Jan Karthaus
Konzeptentwurf
eines
HochdrehzahlMehrfachgenerator-Triebstrangs für MultiMegawatt Windenergieanlagen
Design concept of a drive train with multiple
high-speed generators for large wind turbines
Herr Jan Philipp Vogel
Untersuchung und Vergleich von Wicklungssystemen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf den
Wirkungsgrad einer Hochdrehzahl-PMSM eines
elektrischen Sportwagenantriebs
Analysis and comparison of different winding
systems regarding their influences on the efficiency of a high-speed PMSM of an electric
sports car
Herr Tobias Kauder
Verbesserung des Betriebsverhaltens von
PMSM für Hochdrehzahl-MehrfachgeneratorWEA durch Anpassung der Rotorpolgeometrie
Performance improvement of PMSM for wind
turbines with multiple high-speed generators
through geometry adaptation of the rotor poles
62
Jahresbericht 2013
Diplom-, Master- und Studienarbeiten
Herr Silas Elfgen
Untersuchung und Bewertung von Maßnahmen
zur gezielen Flussführung im Rotor einer PMSM
hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das Betriebsverhalten
Study of the impact on the performance of
PMSM due to influencing the flux-path in the
rotor
Frau Carola Böttcher
Wirtschaftlichkeitsaspekte verschiedener Generatorkonzepte für Multi-Megawatt Windenergieanlagen
Economic efficiency aspects of various generator concepts for multi-megawatt wind turbines
Herr Daniel Butterweck
Untersuchung des Betriebsverhaltens einer
Asynchronmaschine und dessen Beeinflussung
durch verbesserte Methoden der Wärmeabfuhr
An analysis of the performance of an induction
machine and the impact of improved methods
of heat dissipation
Herr Fabian Dörr
Optimierung der Berechnungskette zur Auslegung permanenterregter Synchronmaschinen
für den Einsatz als Traktionsantrieb
Optimization of the toolchain used to design
permanent excited synchronous machines for
traction drives
Frau Alicja Purol
Interaktive Anwendung elementarer Entwurfsgleichungen in der virtuellen Realität
Interactive Utilization of Elementary Sizing
Equations in Virtual Reality
Jahresbericht 2013
63
Diploma, master- and bachelor theses
Herr Felix Kaphengst
Konzeptionierung und Implementierung eines
lernenden und selbstoptimierenden Fertigungsleitsystems
Conceptual design and implementation of a
learning and self-optimising manufacturing
execution system
Herr Matic Blaznik
Untersuchung der Überlastfähigkeit elektrischer Maschinen für Traktionsantriebe in Elektrofahrzeugen
Investigation of the overload capacity of electrical machines used as traction drives in electrical
vehicles
Herr Sukoco Sukoco
Modellierung von Permanentmagneten in zweidimensionaler
Finite-Elemente-Simulation
elektrischer Maschinen: II Hysterese
Modeling of permanent magnets in twodimensional finite-element simulation of electrical machines: II hysteresis
Herr Zheng Zhou
Adaptiver MPC mit Nebenbedingungen für eine
Asynchronmaschine
Constrained adaptive MPC for an induction machine
64
Jahresbericht 2013
Lehre am IEM
Lehre am IEM
Teaching at IEM
Jahresbericht 2013
65
66
Komponenten und Anlagen
der Elektrizitätsversorgung
Prof. Soter:
• Aufbau und Netzbetrieb von
Windenergieanlagen
•
Prof. Hameyer:
• Dynamik Elektrischer Maschinen
• Electrical Machines I
• Entwurf, Berechnung und
Technologie Elektrischer Maschinen
• Moderne Servoantriebe für
Werkzeugmaschinen und Roboter
• Ringvorlesung Elektrische Energie
aus Regenerativen Quellen
• Ringvorlesung Elektromobilität
Wintersemester
(VÜ3)
(V2,Ü1)
(VÜ3)
(V2,Ü1)
(V2,Ü1)
(V2,Ü1)
(V2,Ü1)
Dr. Löwenstein:
• Elektrische Bahnen, Linearantriebe,
Magnetschwebetechnik
Dr. Biele:
• Magnetische Werkstoffe
Prof. De Gersem:
• Electromagnetic Field Simulation for
Electrical Energy Applications
Prof. Hameyer:
• Elektrotechnik und Elektronik
(für Maschinenbauer)
• Grundlagen Elektrischer Maschinen
• Elektrische Kfz-Bordnetzkomponenten
• Elektrische Antriebe und Speicher
(für Maschinenbauer)
• Electrical Machines II
Sommersemester
(VÜ3)
(VÜ3)
(VÜ3)
(V2,Ü1)
(V2,Ü1)
(V2,Ü1)
(V2,Ü1)
(V3,Ü2)
Teaching at IEM
Jahresbericht 2013
Energietechnisches Praktikum I
(5. Semester B.Sc. ET,IT&TI)
Synchronmaschine,
Gleichstrommaschine,
Asynchronmaschine
Laboratory course Electrical Power
Engineering I
(7. Semester M.Sc. WIEET)
Synchronous machine,
DC machine,
Asynchronous machine
•
•
Wintersemester
•
Energietechnisches Praktikum II
Dynamisches Verhalten,
feldorientierte Regelung
EC-Motor
Sommersemester
Lehre am IEM
Jahresbericht 2013
67
Teaching at IEM
68
Jahresbericht 2013
Statistik
Statistik
Statistics
Anzahl der Mitarbeiter pro Jahr
Jahresbericht 2013
69
Statistics
Anzahl der wissenschaftlichen Arbeiten pro Jahr
Anzahl der wissenschaftlichen Veröffentlichungen pro Jahr
70
Jahresbericht 2013
Statistik
Gesamtumsatz des IEM pro Jahr
Zusammensetzung der Mittelherkunft pro Jahr
Jahresbericht 2013
71
Statistics
Zusammensetzung der Mittelherkunft im Jahr 2013
72
Jahresbericht 2013
IEM Familie
IEM Familie
IEM family
Jahresbericht 2013
73
IEM family
Februar:
Dr.-Ing. Marc Lessmann verlässt nach erfolgreicher Promotion das IEM
im Februar 2013.
März:
74
Die glückliche Mutter Christelle Piantsop Mbo’o mit ihrem Sohn Malik im
März 2013.
Jahresbericht 2013
IEM Familie
Juli:
Die Umbauarbeiten der Hallen beginnen im Juli 2013.
Jahresbericht 2013
75
IEM family
September:
Auch Dr.-Ing. André Pohlmann promoviert erfolgreich am IEM im September 2013.
76
Jahresbericht 2013
IEM Familie
Oktober:
Das Institutsgebäude wird nicht nur von innen, sondern im Oktober 2013
auch von außen saniert.
Während eines Workshops in Schleiden wird im Oktober 2013 das energietechnische Praktikumsskript verbessert.
Jahresbericht 2013
77
IEM family
Dezember:
Im Dezember 2013 wird das Institut fleißig dekoriert, um weihnachtliche
Stimmung zu verbreiten.
Isabel Coenen zeigt uns im Dezember 2013 stolz ihre Tochter Dina.
78
Jahresbericht 2013
Veröffentlichungen 2013
Veröffentlichungen 2013
Publications 2013
[1] Lu An, David Franck, and Kay Hameyer. Sensorless control for surface
mounted permanent magnet synchronous machines at low speed. In
ICEMS 2013 International Conference on Electrical Machines and Systems,
pages 77–82, Busan, Korea, October 2013. IEEE.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013LASensorlessControl].
[2] Lu An, David Franck, and Kay Hameyer. Sensorless control for surface
mounted permanent magnet synchronous machines at low speed.
Journal of International Conference on Electrical Machines and Systems,
2(4):429–435, December 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013LASensorlessControlJournal].
[3] Lu An, David Franck, and Kay Hameyer. Sensorless Field Oriented Control using back-EMF and flux observer for a surface mounted permanent
magnet synchronous motor. In ISEM 2013 16 th International Symposium
on Applied Electromagnetics and Mechanics, pages 37–38, Quebec City, Canada, July 2013. MIVIM, Universite Laval.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013LASensorlessField].
[4] Teofil-Cristian Andrei, Rüdiger Appunn, Kay Hameyer, Simon Serowy, and
Ralf Schelenz. Technical and Economical Assessment of Different Multimegawatt Wind Turbine Concepts - An Alternative Approach. In Conference for Wind Power Drives, CWD 2013, pages 235–263, Aachen, Germany, March 2013. Center for Wind Power Drives (CWD), RWTH Aachen
University.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013CATechnical].
[5] Rüdiger Appunn, Thomas Herold, and Kay Hameyer. Development of a
Small Scale Magnetically Levitated Train as Demonstrator for Undergraduate Mechatronics Students. Journal of Energy and Power Engineering,
7(6):1024–1031, June 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013RADevelopment].
Jahresbericht 2013
79
Publications 2013
[6] Rüdiger Appunn, Aryanti Kusuma Putri, and Kay Hameyer. Design of a
Contactless Power Supply for Magnetically Levitated Elevator Systems integrated into the Guide Rail. In International Symposium on Linear Drives
for Industry Applications, LDIA 2013, Hangzhou, China, July 2013. Professor Y.Y.Ye.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013RADesign].
[7] Rüdiger Appunn, Aryanti Kusuma Putri, and Kay Hameyer. Design of a
Contactless Power Supply for Magnetically Levitated Elevator Systems
integrated into the Guide Rail. Applied Mechanics and Materials, 416417:333–338, August 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013RAAppliedMechanics].
[8] Rüdiger Appunn, Björn Riemer, and Kay Hameyer. Combination of a
Contactless Power Supply with an Electromagnetic Guiding for a Vertical Transportation System. Mechatronics, 23(2):190–196, March 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013RACombination].
[9] Stefan Böhmer, Enno Lange, and Kay Hameyer. Non-Conforming Sliding
Interfaces for Relative Motion in 3D Finite Element Analysis of Electrical
Machines by Magnetic Scalar Potential Formulation Without Cuts. IEEE
Transactions on Magnetics, 49(5):1833–1836, March 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SBNonConforming].
[10] Isabel Coenen, Thomas Herold, Christelle Piantsop Mbo’o, and Kay Hameyer. Evaluating the influence of manufacturing tolerances in permanent magnet synchronous machines. The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, COMPEL,
32(5):1552–1566, 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013ICEvaluating].
[11] Isabel Coenen, Christelle Piantsop Mbo’o, and Kay Hameyer. Statistical
evaluation of manufacturing tolerances in electrical machines by simulation and measurement. In 2013 Fourth International Conference on Power
Engineering, Energy and Electrical Drives (POWERENG), pages 506–510,
Istanbul, Turkey, May 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/ 2013ICStatistical].
[12] Daniel Eggers, Simon Steentjes, and Kay Hameyer. Frequency dependency of nonlinear loss parameter for an improved iron loss prediction. In
80
Jahresbericht 2013
Veröffentlichungen 2013
21st International Conference on Soft Magnetic Materials, page 254, Budapest, Hungary, September 2013. L. Varga.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013DELossParameters].
[13] David Franck, Thomas Herold, and Kay Hameyer. Transient acoustic simulations of electrical drive-trains. In Conference on Acoustics, AIA-DAGA
2013, pages CD–ROM, Meran, Italy, March 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013DFTransient].
[14] Gregor Glehn, Rüdiger Appunn, and Kay Hameyer. Parametric design of a
linear induction machine for a small scale magnetically levitated train. In
International Symposium on Linear Drives for Industry Applications, LDIA
2013, Hangzhou, China, July 2013. Professor Y. Y. Ye.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013GGParametric].
[15] François Henrotte, Simon Steentjes, Christophe Geuzaine, and Kay Hameyer. Iron loss calculation in steel laminations at high frequencies.
In 19th International Conference on the Computation of Electromagnetic Fields, COMPUMAG 2013, pages CD–ROM, Budapest, Hungary, June
2013. Professor J. Pavo.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SSTIronLoss].
[16] Thomas Herold, Christelle Piantsop Mbo’o, and Kay Hameyer. Evaluation
of the use of an electrical drive as a sensor for the detection of bearing
damage. In Conference on Acoustics, AIA-DAGA 2013, pages CD–ROM,
Meran, Italy, March 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013THEvaluation].
[17] Marco Hombitzer, Georg von Pfingsten, David Franck, and Kay Hameyer. Entwurfsmethodik für eine PMSM als Traktionsantrieb für ein
elektrisches Sportfahrzeug. In Internationaler ETG Kongress, page CD, Berlin, Germany, November 2013. VDE Verlag GMBH, Berlin und Offenbach.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013MHEntwurfsmethodik].
[18] Qian Liu, Rüdiger Appunn, and Kay Hameyer. A study of a novel wind
turbine concept with power split gearbox. In ICEMS 2013 International
Conference on Electrical Machines and Systems, pages 218–222, Busan, Korea, October 2013. IEEE.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013QLStudy].
[19] Qian Liu, Rüdiger Appunn, and Kay Hameyer. A Study of a Novel Wind
Jahresbericht 2013
81
Publications 2013
Turbine Concept with Power Split Gearbox. Journal of International Conference on Electrical Machines and Systems, 2(4):478–485, December 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013QLStudyJournal].
[20] Sara Mahdavi, Thomas Herold, and Kay Hameyer. Thermal modeling as
a tool to determine the overload capability of electrical machines. In
ICEMS 2013 International Conference on Electrical Machines and Systems,
pages 454–458, Busan, Korea, October 2013. IEEE.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SMThermal].
[21] Peter Offermann, Martin Hafner, and Kay Hameyer. Simulation of Magnetization Errors using Conformal Mapping Field Computations. In 12th
Joint MMM-Intermag, page 339, Chicago,Illinois,USA, January 2013. Professor P. Crowell.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013POSimulation].
[22] Peter Offermann, Martin Hafner, and Kay Hameyer. Simulation of Magnetization Errors Using Conformal Mapping Field Computations. IEEE
Transactions on Magnetics, 49(7):3163–3166, July 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013POSimulationof].
[23] Peter Offermann and Kay Hameyer. A polynomial chaos meta-model for
non-linear stochastic magnet variations. COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 32(4):1211–1218, September 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013POAPolynominal].
[24] Peter Offermann and Kay Hameyer. Analysis of Finite Element Mesh
Discretization for Faster and More Accurate Probabilistic Simulations:Applied to Cogging Torque Calculations in Electrical Machines. In
ISEF 2013 XVI International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering, pages OS5–023–1, Ohrid,
Macedonia, September 2013. ISEF.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013POAnalysis].
[25] Martin Petrun, Vojko Podlogar, Simon Steentjes, Kay Hameyer, and
Drago Dolinar. A parametric magnetodynamic model of soft magnetic
steel sheets. In 21st International Conference on Soft Magnetic Materials,
page 88, Budapest, Hungary, September 2013. L. Varga.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SSTMagnetodynamicModel].
82
Jahresbericht 2013
Veröffentlichungen 2013
[26] Christelle Piantsop Mbo’o and Kay Hameyer. An extended dynamic thermal model of a permanent magnet excited synchronous motor. ARCHIVES
OF ELECTRICAL ENGINEERING, 62(3):375–386, September 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013CPMAnExtended].
[27] André Pohlmann and Kay Hameyer. Design of an BLDC drive with iron
core to improve the efficiency of Ventricular Assist Devices. In ICEMS
2013 International Conference on Electrical Machines and Systems, pages
888–891, Busan, Korea, October 2013. IEEE.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013APDesign].
[28] André Pohlmann, Marc Lessmann, Andreas Fritschi, Thomas Finocchiaro,
Ulrich Steinseifer, and Kay Hameyer. Experimental validation of the linear
drive train for a total artificial heart system. Mechatronics, Special Issue on
Linear Drives, 23(2):222–226, March 2013.
[29] Sebastian Rick, Matthias Felden, Marco Hombitzer, and Kay Hameyer.
Permanent Magnet Synchronous Reluctance Machine - bridge design for
two-layer applications. In International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC 2013, pages 1376–1383, Chicago, Illinois, USA, May 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SRPermanent].
[30] Björn Riemer, Dietrich Bonmann, and Kay Hameyer. Flux distribution
in transformer cores of Phase-Shifting transformers. In CIGRE SC A2 &
C4 Joint Colloquium 2013, Zurich, Switzerland, September 2013. ETH
Zürich.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013BRFlux].
[31] Björn Riemer, Enno Lange, and Kay Hameyer. Calculation of the flux distribution of three phase five limb power transformers considering nonlinear material properties. The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, COMPEL, 32(4):1230–
1243, July 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013BRCalculation].
[32] Michael Schröder, David Franck, and Kay Hameyer. Evaluation of
Magnitude- and Phase-Correct Unitforce Transfer Functions for the Structural Description of Electrical Machines. In ISEF 2013 XVI International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and
Electronic Engineering, pages OS2–041–1, Ohrid, Macedonia, September
Jahresbericht 2013
83
Publications 2013
2013. ISEF.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013MSEvaluation].
[33] Nils Soltau, Daniel Eggers, Kay Hameyer, and R. W. De Doncker. Iron
Losses in a Medium-Frequency Transformer operated in a High-Power
DC-DC Converter. In Conference on the Computation of Electromagnetic
Fields, COMPUMAG 2013, Budapest, Hungary, July 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013NsIron].
[34] Simon Steentjes, Kay Hameyer, M. Bednarz, S. Vogt, W. Volk, J. Dierdorf,
and G. Hirt. Influence of material processing steps annealing and cutting
on magnetic materials’ properties relevant for electrical machine design.
In Forming Technology Forum 2013, Herrsching, Bayern, Germany, September 2013. Prof.W.Volk.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SSTInfluence].
[35] Simon Steentjes, François Henrotte, and Kay Hameyer. A dynamical
energy-based model for iron loss calculation in laminated cores. In Proceeding of the 9th International Symposium on Electric and Magnetic Fields,
EMF 2013, pages CD–ROM, Bruges, West Flanders, Belgium, April 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SSTDynamical].
[36] Simon Steentjes, Marc Lessmann, and Kay Hameyer. Semi-physical parameter identification for an enhanced iron-loss formula allowing lossseparation. In 12th Joint MMM-Intermag, page 116, Chicago,Illinois,USA,
January 2013. Professor P. Crowell.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SSTSemi].
[37] Simon Steentjes, Marc Lessmann, and Kay Hameyer. Semi-physical parameter identification for an iron-loss formula allowing loss-separation.
Journal of Applied Physics, 113(17):A319–321, March 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SSTSemiJournal].
[38] Simon Steentjes, Martin Petrun, K. Chwastek, and Kay Hameyer. Minor
loops in the dynamic Takacs model. In 21st International Conference on
Soft Magnetic Materials, page 89, Budapest, Hungary, September 2013. L.
Varga.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SSTMinorLoops].
[39] Simon Steentjes, Georg von Pfingsten, Marco Hombitzer, and Kay Hameyer. Enhanced iron-loss model with consideration of minor loops applied
84
Jahresbericht 2013
Veröffentlichungen 2013
to FE-simulations of electrical machines. In 12th Joint MMM-Intermag,
page 524, Chicago,Illinois,USA, January 2013. Professor P. Crowell.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SSTEnhanced].
[40] Simon Steentjes, Georg von Pfingsten, Marco Hombitzer, and Kay Hameyer. Iron-loss model with consideration of minor loops applied to
FE-simulations of electrical machines. IEEE Transactions on Magnetics,
49(7):3945–3948, July 2013.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SSTIronLossModel].
[41] Simon Steentjes, Georg von Pfingsten, Marco Tietz, and Kay Hameyer.
Influence of material degradation due to punching on magnetization
and iron losses of high-strenth non-oriented electrical steel for traction
drives. In 21st International Conference on Soft Magnetic Materials, page
117, Budapest, Hungary, September 2013. L. Varga.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SSTMaterialDegradation].
[42] Simon Steentjes, S. E. Zirka, Y. I. Moroz, E. Y. Moroz, and Kay Hameyer. A
dynamic magnetization model of conducting non-oriented ferromagnetic
steel sheets. In 21st International Conference on Soft Magnetic Materials,
page 96, Budapest, Hungary, September 2013. L. Varga.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SSTMagnetizationModel].
[43] Simon Steentjes, S. E. Zirka, Y. I. Moroz, E. Y. Moroz, and Kay Hameyer.
A simplified model of ferromagnetic considering the magnetization dynamics utilizing the saturation wave model. In 58th Annual Conference on
Magnetism and Magnetic Materials (MMM), page 172, Denver, Colorado,
USA, November 2013. Prof. P. Crowell.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SSTSimplified].
[44] Marco Tietz, F. Herget, Georg von Pfingsten, Simon Steentjes, K. Telger,
and Kay Hameyer. Effects and advantages of high-strength non grain
oriented (NGO) electrical steel for traction drives. In 3rd International
Electric Drives Production Conference (EDPC), pages 1–6, Nuremberg, Germany, October 2013. IEEE.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013MTEffects].
[45] Georg von Pfingsten, Thomas Herold, and Kay Hameyer. Kalibrierte Leistungssimulation von elektrischen Maschinen - eine Möglichkeit zur Bewertung von nicht vermessbaren Betriebsbereichen und des Einsatzes un-
Jahresbericht 2013
85
Publications 2013
terschiedlicher weichmagnetischer Materialien ohne weiteren Musterbau.
In ETG Antriebssysteme 2013, pages 122–127, Nürtingen, Deutschland,
September 2013. VDE Verlag.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013GvPKalibrierte].
[46] Georg von Pfingsten, Simon Steentjes, Marco Hombitzer, and Kay Hameyer. Influence of winding scheme on the iron-loss distribution in permanent magnet synchronous machines. In 21st International Conference on
Soft Magnetic Materials, page 329, Budapest, Hungary, September 2013.
L. Varga.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013GvPWindingScheme].
[47] Matthias Wegerhoff, Ralf Schelenz, Georg Jacobs, Sebastian Rick, David Franck, Kay Hameyer, Michael Vorländer, Gottfried Behler, and Johannes Klein. Modellbildung zur NVH Simulation eines E-MOTIVE Antriebsstrangs. In Geschäftsbericht 2013 : vorgelegt anlässlich der Mitgliederversammlung am 26. November 2013 in Würzburg ; Berichtszeitraum
06.12.2012 bis 26.11.2013 / Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V.,
page 628. FVA, Forschungsvereinigung Antriebstechnik, November 2013.
[48] Svetlana Zhitkova, Björn Riemer, David Franck, Kay Hameyer, and Richard Zahoransky. Hochdrehzahlmotoren für mobile Arbeitsmaschinen.
In 4. Fachtagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 20. Februar
2013, pages 113–123, Karlsruhe, Germany, February 2013. Karlsruher
Institut für Technologie (KIT) Scientific Publishing,.
[http://134.130.107.200/uploads/bibliotest/2013SZHochdrehzahlmotoren].
86
Jahresbericht 2013