Der wache Blick über den Tellerand: Praxisforum Antriebstechnik

Das Praxisforum für elektrische Antriebstechnik 2019 in Würzburg legte in diesem Jahr den Sonder-Schwerpunkt auf Open Source Software und ihre rechtssichere Verwendung in Embedded-Systemen.

Vom 25.-27.März 2019 vermittelte das Praxisforum Elektrische Antriebstechnik zum sechsten Mal umfassendes Fachwissen auf hohem Niveau. Entwickler, Projektingenieure, Antriebstechniker und andere Projektverantwortliche trafen sich, um neue Fähigkeiten zu erlernen und aktuelle Erkenntnisse der Forschung zu diskutieren. Die begleitende Ausstellung zeigte sofort einsetzbare Technikentwicklungen.

Top-Themen waren beispielsweise Erfahrungsberichte zu Fehlerursachen, Ausfallmechanismen und elektromagnetischer Störaussendung und Verträglichkeit. Besonderes Interesse fanden die Design-Tipps von Dr. Martin Schulz (Principal Application Engineer bei Infineon): „Fünf Dinge, die man bei der Entwicklung von Antriebselektronik keines Falls machen darf“. In der von ihm gewohnten Leidenschaft als Fallanalytiker widmete er sich in den Vorträgen auch der Korrelation von Fehlerbild und Fehlerursache. Selbst ein im Fehlerfall stark zerstörter Halbleiter lässt noch Rückschlüsse zu, so Schulz, welcher Effekt die Ursache der Zerstörung war. Das Wissen um diese Zusammenhänge hilft dem Entwickler bei der Suche nach Fehlern und möglichen Abstellmaßnahmen. Ebenso Kern seiner Ausführungen: immer wiederkehrende Schwierigkeiten der Entwickler beim Design leistungselektronischer Systeme. Sie aufzuzeigen und Hinweise zu geben, wie sich solche Fallen umgehen lassen, war eines der Lehrziele dieses Referats. Dazu gehörten unsymmetrischer Aufbau, Parallelschaltungen, parasitäre Elemente und das Unterschätzen thermischer Gegebenheiten.

PEA 2019 - Impressionen vom Praxisforum Elektrische Antriebstechnik

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Überhaupt ist das geeignete Wärme-Management wichtiger denn je. Denn die bestmögliche Vorhersage der Produktlebensdauer ist inzwischen zu einem entscheidenden Wettbewerbsvorteil und auch zu einer besonderen Herausforderung innerhalb eines komplexen Szenarios geworden. Prof. Andreas Griesinger vom Zentrum für Wärme-Management Stuttgart berichtete über jahrzehntelange Erfahrungen hinsichtlich Prüfmethoden, Ausfallmechanismen, Wärmeanalyse und thermische Kontakte in Elektromotoren und Leistungselektronik. Lehrziel: beschleunigende Prüfungen definieren können, um das Alterungsverhalten thermischer Interface-Materialien abzubilden.

Solche an sich nicht neuen, aber immer dringlicheren Herausforderungen begegnen Maschinenkonstrukteure, Elektroniker, Software-Entwickler und sonstige entsprechenden Experten mit bereichsübergreifenden Projekten. Inzwischen ist daher die ständige Erweiterung fachlicher Schnittstellen zu interdisziplinärem Wissen Pflicht, genauso wie der ständig wache Blick über den eigenen Tellerrand. Und ein Ende der Disziplinerweiterungen ist nicht Sicht. Zusätzliche Schnittstellen zu neuen Themenkomplexen ergeben sich auch durch die Weiterentwicklung der Leistungshalbleiter selbst. Denn diese schaffen neue Problematiken: Hart schaltende Umrichter mit Siliziumkarbid-Bauelementen erzeugen eine neue Qualität schädlicher Lagerströme und -spannungen; elektromagnetische Unverträglichkeiten verändern das Isolationssystem elektrischer Maschinen und erfordern erweiterte Detailkenntnisse und Fertigkeiten.

Erste Erfahrungen zum Planetenmotor hinsichtlich Nutzen und Forderungen aus der Sicht von Anwendern aus Industrie und Automotive vermittelte Prof. Manfred Schrödl, vom Institut ESEA der TU Wien. Sein Planetenmotor ist eine clevere Kombination von Elektromotor und Getriebe, bei der das Getriebe integraler Bestandteil der Motorfunktion ist.

Das Besondere am Planetenmotor ist diese geschickte Kombination einer Stator-Topologie, die gleichzeitig mit mehreren Rotoren in Wechselwirkung steht. Dabei erzeugt das Stator-Wicklungssystem lokale Drehfelder, die mit den über das Getriebe mechanisch synchronisierten Rotoren Drehmomente erzeugen, die im Getriebe addiert werden. Dadurch gelingt es, bei gleichem Summenquerschnitt der Rotoren im Vergleich zu einem klassisch aufgebauten Motor in etwa das gleiche Summendrehmoment zu erzeugen, jedoch wird bei gleicher Drehzahl der Teilrotoren die Umfangsgeschwindigkeit gegenüber dem klassischen Einzelrotor entsprechend der Durchmesserverhältnisse reduziert. Somit kann bei Ausnutzung der maximal möglichen Umfangsgeschwindigkeit mehr Leistung aus dem gleichen Volumen herausgeholt werden.

An der TU Wien wurden mehrere Prototypen aufgebaut und die einwandfreie Funktion nachgewiesen. Ein weiterer Systemvorteil ist die einfache Integration der Leistungselektronik in das Gehäuse des Planetenmotors. Im Vortrag zeigte Schrödl, wie eine kompakte Leistungselektronik an das Wicklungssystem des Planetenmotors angekoppelt werden kann. Motorwicklungen und Leistungselektronik sind flüssigkeitsgekühlt.

Wie wichtig der stets wache Blick über den Tellerand ist, verdeutlichten die beiden Referenten Dr. Rolf Slatter, Geschäftsführer Sensitec, und Tizian Schneider, Wissenschaftler am ZeMA (Zentrum für Mechatronik & Automatisierungstechnik). Deren Vortrag zeigte, wie schnelle Stromsensoren in Kombination mit intelligenten Algorithmen des maschinellen Lernens zur Zustandsüberwachung mechatronischer Systeme nutzbar sind. Ein Beispiel verdeutlichte, wie automatisierte Mustererkennungsalgorithmen die verbliebene Lebensdauer elektromechanischer Zylinder vorhersagen, indem sie physikalisch interpretierbare Fehlercharakteristiken im Motorstrom erkennen und deren Informationsgehalt bestimmen.

„Denn in den Frequenzen des Motorstromes sind unglaublich viele Systeminformationen enthalten, wenn man sie nur auszuwerten weiß.“ Damit formuliert Slatter eines seiner Lehrziele: das Erkennen und Interpretieren von Fehlerfrequenzen im Motorstrom für die Zustandsüberwachung. Durch korrektes gewichten der Erkenntnisse lassen sich beispielsweise Fehlerursachen beseitigen und die Lebensdauer bestimmen.

Die Themen weiterer Vorträge waren:

• In den Motorwicklungen integrierte faseroptische Temperatur-Sensoren ermöglichen erstmals Messungen zur Bewertung von zum Beispiel dynamischen Temperaturverläufen; spezifische Vorteile & Nutzen (Martin Riedel, imc Test & Measurement),

• Wie ein im Motor integrierter magnetischer Drehgeber trotz elektromagnetischer Bremse störungsfrei und sicher präzise Positionswerte liefert (Bernhard Hiller, Kübler),

• Schnelle Entwicklung von Embedded-Servoreglern mit dediziertem Controller-Bausteinen (Jonas Proeger, Trinamic),

• Antriebe für intelligente Robotik nach dem Vorbild biologischer Funktionen (Dr. Urs Kafader, maxon motor),

• Stabilisierung von schnell laufenden magnetisch gelagerten Rotoren (Dr. Markus Hutterer, TU Wien),

• EMV-gerechte Integration von Elektroantrieben in E-Fahrzeugen (Prof. Matthias Richter, Westsächsische Hochschule Zwickau),

• Die ganzheitliche Modellierung und Co-Simulation von Antriebsmechatronik zur Optimierung von unter anderem Wirkungsgrad und Lastprofil am virtuellen Prototyp (Dirk Müller, FlowCAD),

• Ökologische & ökonomische Bewertung des Ressourcenaufwands effizienter Elektromotoren (Dr. Ulrike Lange, VDI ZRE Berlin),

• Lebenszyklusanalysen zur Optimierung elektromotorischer Systeme mit praktischer Anwendung in Entwicklung und Vertrieb (Dr. Constantin Herrmann, thinkstep),

• Die FEM-Simulation als Bestandteil während der Musterphase in der Motorenberechnung (Philip Siehr, CADFEM).

Zum Blick über den Tellerand kommen immer mehr scheinbar technikfremde Themen hinzu wie etwa sich ständig wandelnde rechtliche Aspekte, die samt ihrer Dynamik inzwischen auch von Projektstart an zu berücksichtigen sind. Ebenso wie umgekehrt die Gesetzgebung selbst ständig vor neuen Herausforderungen steht und den Wandel im Zeitalter von Industrie 4.0, Internet of Things und Künstlicher Intelligenz einbeziehen muss. Ein derzeit brisantes Thema ist neben vielen anderen Open Source Software. Hierzu dozierte Stefan Haßdenteufel von der Anwaltskanzlei SSW Schneider Schiffer Weihermüller. In seinem Vortrag vermittelte er die Risiken beim Einsatz von Open Source Software, grundsätzliche Aspekte der Open Source Compliance und nicht zuletzt die praktische Umsetzung von Lizenzpflichten bei der Nutzung von Open Source Software. Juristin Susanne Meiners (NewTec) erklärte die rechtliche Haftungssystematik und den aktuellen Stand der Diskussion, die es um z.B. Software, teilautonome oder autonome Systeme gibt.

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