Labore

Das Labor für elektrische Antriebe an der HS Landshut ist mit Prüfständen für elektrische Maschinen sowie einem umfangreichen Set an Prüf- und Messtechnik ausgestattet. Auf den Laborrechnern sind entsprechende Matlabskripts und Simulinkmodelle zur Analyse bzw. Nachbildung der Antriebssysteme verfügbar. Zur Ausstattung gehören unter anderem:

• div. Maschinensätze für Lehrveranstaltungen und Praktika, Demonstratoren für innovative Maschinenkonzepte
• div. Netzteile bis 700V / 10kW; elektronische Lasten 160..700V / 1.5kW
• Maschinenprüfstand 78kW (200Nm/3600Upm), Maximaldrehzahl 6000Upm
• Lineare Drehstromquellen: 2x Kikusui PCR-L 300V 30A, 1Hz..1kHz
• Oszilloskope: 2x LeCroy Waverunner 64Xi + diverse Wavesurfer / Tektronix / Agilent
• schnelle Hochspannungstastköpfe: PMK-BumbleBee 400MHz
• Digitale Leistungsanalysatoren: Yokogawa WT1600, WT1800, Rohde & Schwarz HMC8015
• Entwicklungsplattform für die Reglerentwicklung: dSPACE Microautobox mit Wechselrichter
• Antriebssystemmodelle in Matlab/Simulink für GM, ASM und PMSM

Für die Lehre verfügt das Labor über unterschiedliche Maschinensätze mit den klassischen Maschinen Gleichstrommaschine, Asynchronmaschine und Synchronmaschine, an denen die Studenten das Wirkprinzip verstehen und das statische bzw. dynamische Betriebsverhalten analysieren können. Weitere Lehrinhalte sind Vermessung und Parameterbestimmung, Simulation sowie Parameterabgleich und Validierung von Simulationsmodellen. Für weitere Maschinenkonzepte wie Außenläufer-PMSM mit Einzelzahnwicklung bzw. Transversalflussmaschine gibt es im Labor entsprechende Demonstratoren. Im Labor Leistungselektronik gibt es in ähnlichem Umfang Prüfaufbauten für netz- und selbstgeführte Stromrichter.

Um Traktionsantriebe für Elektrofahrzeuge selbst entwickeln und vermessen zu können, haben wir uns einen Maschinenprüfstand (rechtes Bild) mit 78kW Maximalleistung gebaut. Zum Schutzkonzept gehört u. A. eine fahrbare Stahlhaube, so dass auch Prüflinge mit hohen Drehzahlen untersucht werden können.

Als Eigenentwicklungen sind in den vergangen Jahren Platinenwechselrichter mit diskreten Leistungsschaltern entstanden:

• ein Niedervoltumrichter mit 80V-Mosfets für Spannungen bis 50V DC (linkes Bild) und 2.5kVA Dauerleistung
• ein Hochvoltumrichter für Spannungen bis 600V DC (rechtes Bild) und 30kVA Maximalleistung. Der Aufbau kann wahlweise mit SiC-Mosfets, SiC-JFETS in Kaskodenschaltung oder Standard-IGBTs mit Inversdiode (jeweils im TO247-Gehäuse) bestückt werden. Das System dient neben der vergleichenden Untersuchung von Halbleitern auch zur Realisierung von selbstentwickelten elektrischen Antrieben
• für die Steuerung bzw. Regelung von elektrischen Maschinen gibt es eine Controllerplatine, die jeweils zu beiden Systemen kompatibel ist
• die Umrichter besitzen eine analoge Schnittstelle zur Pollageerfassung mit Hallsonden, die einfach an die jeweilige Maschine angepasst werden kann

Im Forschungsprojekt LinkPack (BMBF-Förderprogramm FHprofUnt, Projektpartner Compact Dynamics) werden neue Lösungen für die niederinduktive Aufbautechnik von Leistungsmodulen untersucht. Das Hybridlabor der HS Landshut ermöglicht es uns dabei, Module selbst aufzubauen und zu testen. Durch Integration des Zwischenkreiskondensators in das Leistungsmodul ist ein Kommutierungskreis mit genau definierten und optimierbaren Eigenschaften realisierbar. Ziel ist die optimale Ausnutzung der Vorteile aktueller SiC-Mosfets - sehr schnelles Schalten mit geringen Schaltverlusten - unter Berücksichtigung der EMV. Im mittleren Bild ist eines der neuentwickelten Halbbrückenmodule zu sehen, wobei die Zwischenkreiskondensatoren auf der DCB des Moduls sitzen. Durch Nutzung der DCB-Unterseite zur Führung des Massepotentials lässt sich auch mit konventioneller Bondtechnik eine sehr niedrige Aufbauinduktivät realisieren; die Massefläche dient gleichzeitig als Schirm gegen Gleichtaktstörungen. Andererseits ist dann im Hochvoltbereich eine zweite Isolationslage erforderlich: das erschwert die Entwärmung der Leistungshalbleiter. Ein vielversprechender Ansatz zur Beherrschung dieser Baustelle sind moderne Mehrschichtsubstrate mit Durchkontaktierungen (z.B. AMB), mit denen uns die Firma Rogers unterstützt.

In den Bildern sind die Teile für eine kleine ASM in Axialflussbauweise zu sehen. Die Maschine sollte mit möglichst einfachen Mitteln realisierbar sein: die beiden Statorhälften wurden aus Ringbandkernen gefertigt, die Rotorscheibe aus Cu-Vollmaterial, in welches Eisenelemente zur Flussführung eingepresst sind - die Geometrie ist allerdings noch optimierbar. Der Aufbau dient als Demonstrator für Lehrveranstaltungen.

Der erste Prototyp unserer Axialfluss-PMSM mit Scheibenläufer steht mittlerweile auf dem Prüfstand. Auch dieses Konzept ist für eine Elektromaschine verhältnismäßig einfach herstellbar: die U-Joche für den Eisenkreis können aus E30-Kernblechen hergestellt werden, die Spulen der Statorwicklung werden aufgesteckt. Über die Anzahl der Joche und ggf. die Blechpaketlänge kann das Konzept durch seinen modularen Aufbau einfach skaliert und an die jeweilige Drehmomentvorgabe angepasst werden. Der Rotor besteht aus einer GFK-Scheibe mit eingepressten bzw. geklebten Magneten. Das Konzept kommt mit relativ wenig PM-Material aus: mit 182g erreichen wir ein Maximaldrehmoment von 50Nm und einen Flächenschub von 100kN/m². Aktuell wird ein Prototyp für ca. 200Nm entwickelt und aufgebaut.

In der Lehre werden auch Kleinmaschinen wie Kfz-Synchrongenerator, Fahrraddynamo, Universalmotor etc. behandelt, wofür wir entsprechende Kleinmaschinenprüfstände gebaut haben. In den Bildern sind einige der Modelle dargestellt: links ein Wanderfeld-Linearmotor für Fahrzeuge mit Spurweite H0, in der Mitte ein umgebauter Universalmotor, der nun auch als Außenpolmaschine betreibbar ist. Im Bild rechts ein Kleinprüfstand für einen Außenläufer-Fahrraddyamo.