Computersimulation optimiert elektrische Maschinen

Erster deutsch-österreichischer Sonderforschungsbereich/Transregio bewilligt

20.01.2022 von

TU Darmstadt und TU Graz intensivieren ihre Forschungen, wie sich elektrische Maschinen durch Computersimulation entscheidend verbessern lassen. Dazu wurde jetzt der erste deutsch-österreichische Sonderforschungsbereich/Transregio (TRR) 361 bewilligt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und der österreichische Wissenschaftsfonds FWF fördern den TRR „Computergestütztes elektrisches Maschinenlabor“ mit insgesamt über 8 Millionen Euro.

Mithilfe von Computational Engineering (CE) werden moderne elektrische Antriebe optimiert.

Elektrische Maschinen spielen seit Jahrzehnten eine zentrale Rolle bei der Energieumwandlung, nicht nur als Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie, sondern auch als Motoren, z.B. für Elektrofahrzeuge. Sie machen mehr als die Hälfte des Gesamtenergieverbrauchs aus. Die moderne Leistungselektronik brachte zahlreiche neue Betriebs- und Einsatzmöglichkeiten solcher Motoren, und zusammen mit neuen Materialien und Fertigungstechniken eröffnet sich ein großes Potenzial für Innovationen. Unterstützt durch Fortschritte bei Konstruktionsoptimierung und der Regelung bieten neue Antriebssysteme ein enormes Potenzial, zum Erreichen der Klimaziele beizutragen.

Ich freue mich sehr über diesen ersten deutsch-österreichischen Sonderforschungsbereich. Mit der TU Graz verbindet uns eine langjährige und intensiv gelebte strategische Partnerschaft. Der gemeinsame SFB markiert eine neue Qualität unserer Zusammenarbeit. (Tanja Brühl, Präsidentin der TU Darmstadt)

Sprecher der deutschen Seite: Prof. Sebastian Schöps, Leiter des Fachgebiets Computational Electromagnetics (CEM) der TU Darmstadt.

Aktuelle Auslegungsverfahren für elektrische Maschinen basieren auf wenigen Parametern und Betriebsarten, typischerweise bei konstanter Drehzahl oder konstantem Drehmoment, wodurch erhebliches Optimierungspotenzial vernachlässigt wird. Dieses Potenzial wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im neu bewilligten TRR 361 („Computergestütztes elektrisches Maschinenlabor. Thermische Modellierung, transiente Analysis, Geometriebeschreibung und robustes Design“) nutzbar machen.

Die Forschungsarbeiten im Transregio 361 vollziehen einen Paradigmenwechsel hin zu neuen integrierten Simulations- und Auslegungsansätzen, um das Potenzial moderner elektrischer Antriebe auszuschöpfen. Diese Ansätze berücksichtigen von Anfang an alle wichtigen Aspekte einer elektrischen Maschine, zum Beispiel Form und Topologie, zeitabhängige Betriebszyklen, komplexes Materialverhalten, Parameterunsicherheiten, Robustheit und Lärmentwicklung, sowie neue Kühltechniken, um thermische Grenzen auszureizen. Die Modellierung, Simulation und Optimierung eines derart komplexen Systems stellt extreme Herausforderungen an das Computational Engineering (CE).

Bei CE handelt es sich um eine interdisziplinäre Wissenschaftsdisziplin mit Verbindungen zur angewandten Mathematik, der Informatik und den Ingenieurwissenschaften, die sich neben Theorie und Experiment als dritte Säule des ingenieurwissenschaftlichen Erkenntnisgewinns etabliert hat.

Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftler:innen aus Darmstadt und Graz wird der SFB neue Wege beschreiten, um das Design moderner elektrischer Maschinen zu optimieren und so auch einen nachhaltigen Umgang mit Ressourcen zu befördern. (Peter Stephan, Vizepräsident für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs)

Sprecherin der Österreichischen Seite: Prof. Annette Mütze, Leiterin des Instituts für Elektrische Antriebstechnik und Maschinen (EAM) der TU Graz.

Der bewilligte TRR 361 ist der erste gemeinsame deutsch-österreichische Forschungsverbund in der Förderlinie „Sonderforschungsbereiche (DFG)/Spezialforschungsbereiche (FWF)“. Die Technischen Universitäten Darmstadt und Graz werden hier künftig ihre gemeinsamen Forschungsarbeiten zur Simulation elektrischer Maschinen vertiefen und vorantreiben. Professor Sebastian Schöps, Leiter des Fachgebiets Computational Electromagnetics (CEM) am Fachbereich Elektrotechnik unbd Informationstechnik (etit) der TU Darmstadt, als Sprecher der deutschen Seite, sowie Professorin Annette Mütze, Leiterin des Instituts für Elektrische Antriebstechnik und Maschinen (EAM) der TU Graz, als Sprecherin der österreichischen Seite, arbeiten bereits seit mehreren Jahren auf diesem Gebiet zusammen. Im Konsortium aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der TU Darmstadt und ihrer strategischen Partnerin TU Graz sowie der Johannes Kepler Universität Linz sind neben ausgewiesenen Expertinnen in den beteiligten Themenbereichen auch zahlreiche Jungwissenschaftlerinnen und Jungwissenschaftler vertreten.

Der TRR-SFB 361 ist an beiden Universitäten eng in die dortigen Strukturen, etwa das Centre for Computational Engineering (CCE) der TU Darmstadt wie auch das Graz Center of Computational Engineering (GCCE), eingebunden.