Motivation mit Zielsetzung
Das Arbeitspaket „Auslegung und Optimierung elektrischer Maschinen für die Luftfahrt“ beschäftigt sich mit dem Maschinenentwurf für ein kleines Propellerflugzeug. Elektrische Antriebe in Flugzeugen sind noch am Anfang ihrer Entwicklung und zurzeit stellt das Gesamtgewicht des Antriebsstrangs das Hauptproblem für ihren flächendeckenden Einsatz als Antriebstopologie dar. Deshalb steht eine Erhöhung der gravimetrischen Leistungsdichte im Fokus. Neben dem Einsatz von hochwertigen Materialien in der elektrischen Maschine, werden neuartige Entwurfskonzepte untersucht, die eine Verbesserung der Leistungsdichte anstreben. Analytische und simulative Methoden werden angewendet, um das elektromagnetische, mechanische und thermische Verhalten der Maschine zu untersuchen und ihre Leistungsdichte und Effizienz zu optimieren. Schließlich soll ein Prototyp gebaut werden, um die Ergebnisse auf dem Maschinenprüfstand und auf dem Luftfahrt-Prüfstand („Iron Bird“) zu validieren.
Abbildung 1: Numerische Berechnung der Maschine
Zusätzlich dazu spielt die Zuverlässigkeit in der Luftfahrt eine große Rolle. Um die Voraussetzungen einer CS23 Zertifizierung zu erfüllen, soll die Fehlertoleranz und Zuverlässigkeit durch einen multi-strängigen Entwurf erforscht werden. Darüber hinaus wird durch die Zusammenarbeit mit Experten anderer Disziplinen, wie Leistungselektronik, Batteriespeicher, Regelung und Thermodynamik, eine Gesamtsystemoptimierung angestrebt.
Stand von Wissenschaft und Technik mit Neuheit des Lösungsansatzes
Der Entwurf der elektrischen Maschine beginnt mit analytischen Methoden, um die Anfangsdimensionen und das Verhalten in den verschiedenen Domänen, Elektromagnetik, Mechanik und Thermik, zu berechnen. Aus diesem Startentwurf werden computergetützte Modelle entwickelt, die eine detaillierte Berechnung der Maschine nach dem Stand der Technik erlauben und auf deren Basis Optimierungen durchgeführt werden. Die Finite Elemente Analyse (FEA) wird für die elektromagnetischen und mechanischen Berechnungen verwendet. Thermische Modelle werden aus einer Kombination von „Computational Fluid Dynamics“ (CFD) und „Lumped Parameter Thermal Networks“ (LPTN) entwickelt.
Abbildung 2: Design der Maschine
Um die Leistungsdichte und die Zuverlässigkeit zu erhöhen, werden innovative Entwurfskonzepte untersucht. Flussbarrieren im Stator haben das Potenzial das Drehmoment zu erhöhen und das Gewicht zu reduzieren, wenn sie mit einer geeigneten Topologie kombiniert werden. Der Ansatz der Mehrsträngigkeit erhöht dazu die Ausfallsicherheit der Maschine signifikant und eröffnet neue Methoden der fehlertoleranten Regelung.
Ergebnisse
Bereits abgeschlossen wurde der Aufbau des Referenzprüfstandes und die Vermesung der Referenzmaschine darauf. Der Prüfstand ist auch für die weiteren bestellten Prototypen anpassbar und wird für die Vermesseung dieser Verwendung finden. Zusätzlich ist ein Iron Bird Prüfstand im Aufbau, der für die Vermessung und das Testen des Gesamtsystems elektrischer Luftfahrtantrieb genutzt wird. Die Inbetriebnahme erfolgt noch im Jahr 2023, um die Vermessung des Antriebsstranges in 2024 zu ermöglichen.
Die Erstellung von Workflows zur gesamtheitlichen Maschinenauslgeung und -optimierung hinsichtlich der gravimetrischcen Leistungsdichte ist ein kontinuierlicher Prozess, der sich noch bis in das letzte Projektjahr erstrecken wird. Bereits vollendet ist ein Vorauslegungstool, mit dem der Gewichteffekt, den das Einbringen eines Getriebes in das Antriebssystem hat, untersucht werden kann. Die Detailierung der thermischen Modelle erfolgt ebenfalls bis 2024.
Die Validierung der Workflows erfolgt durch die Vermessung von Prototypen auf Prüfständen. Die Vermessung einer Referenzmaschine bildet die Grundlage eines Vergleichs zwischen dem Stand der Technik und den neuartigen Konzepten, die im Rahmen von ELAPSED erprobt werden. Bis zum Projektabschluss werden noch drei selbst ausgelegte und optimierte Prototypen gefertigt und vermessen. Sie unterscheiden sich in der Stranganzahl, sowie der verwendeten Materialien. Die Vermessung der Maschinen unabhängig vom Gesamtsystem findet dabei zunächst auf dem Referenzprüfstand statt. Im weiteren sollen alle Prototypen und die Referenzmaschine auch auf ihr Verhalten im Gesamtsystem hin am Iron Bird Prüfstand untersucht werden, wodurch eine übergreifende Validierung der Maschine, auf der einen Seite, und des Gesamtsystems, auf der anderen, sichergestellt werden.
Verwertungsperspektive
Die im Rahmen von ELAPSED aufgebaute, umfangreiche Testinfrastruktur (Leichtbauhalle, Prüfstände etc.) kann für die Entwicklung und Erforschung elektrischer Antriebsstränge und elektrisch angetriebener Flugobjekte dienen. Es lassen sich alle Einzelbestandteile eines elektrischen Antriebsstrangs sowie das Gesamtsystem an einem Ort erproben. Der modulare Aufbau erlaubt das Testen von einer Bandbreite an Leistungsklassen, die neben typischen Ausbildungsflugzeugen auch die unter anderem in der Bundeswehr verwendeten Drohnen abdeckt. Das gewonnene Know-How bezüglich der Auslegung leichter, effizienter und zuverlässiger elektrischer Antriebe kommt der Universität der Bundeswehr dank umfangreicher (interner) Dokumentation und (externer) Publikation zugute.
Ansprechpartner und am Projekt beteiligte Mitarbeiter