Bühler Motor Mechatronic Award 2014 verliehen

Dr.-Ing. Klaus Mühlbauer für herausragende Dissertationsschrift ausgezeichnet

Nürnberg, 17. November 2014 – „Regelung von Zwei-Generator-Bordnetzen und Wirkungsgradsteigerung der Leistungselektronik in Teillast“: Mit der gleichnamigen Doktorarbeit gelang es Dr.-Ing. Klaus Mühlbauer, die Jury des Bühler Motor Mechatronic Award zu überzeugen.

"Dr. Mühlbauer beschäftigt sich mit zwei Ansätzen, die Energieefffizienz bestehender Systeme zu steigern. Einerseits wird auf Systemebene durch eine Elektrifizierung mechanischer, pneumatischer und hydraulischer Systeme der Gesamtenergiebedarf reduziert. Andererseits wird der Wirkungsgrad erhöht, indem einzelne Komponenten verbessert werden." so Dr.-Ing. Ralph Böhm, Vice President Research & Development der Bühler Motor GmbH.

Die Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Im ersten Teil befasst sich Dr. Mühlbauer mit Gleichspannungsbordnetzen zukünftiger Flugzeuge, sogenannter More Electric Aircrafts. In diesen More Electric Aircraft werden zur Steigerung des Systemwirkungsgrads bisherige mechanische, hydraulische und pneumatische Systeme durch bedarfsoptimiert arbeitende elektrische Antriebe ersetzt. Die dazu nötigen Bordnetze werden, statt wie heute üblich nur von einem Generator, in Zukunft von zwei Generatoren gespeist werden, woraus sich ein Wirkungsgradvorteil in der elektrischen Energieerzeugung ergibt. Dabei handelt es sich um einen Startergenerator mit aktivem Gleichrichter und einen Generator mit passivem Gleichrichter und bürstenloser Erregung. Jedes Triebwerk verfügt über beide Generatoren, woraus der Freiheitsgrad entsteht, die Last des Bordnetzes auf beide Generatoren aufzuteilen.

Diese sogenannte Zwei-Generationen-Topologie ist dabei sowohl als Parallel- als auch als Serienschaltung beider Generatoren realisierbar. Dazu werden allerdings unterschiedliche Regelungsstrukturen benötigt. Mit genau diesem Thema beschäftigt sich Dr. Mühlbauers Arbeit.

Die Regler werden anhand der Regelstrecken des Startergenerators und des zweiten Generators ausgelegt. Dazu hat Dr. Mühlbauer analytische Übertragungsfunktionen der Regelstrecken aufgestellt. Um auch das nichtlineare Verhalten des passiven Gleichrichters des zweiten Generators einer analytischen Beschreibung zugänglich zu machen, unterscheidet er mehrere Betriebsmodi.

Anschließend ist es ihm anhand von Simulationen gelungen, die verschiedenen Regelkonzepte mit ihren unterschiedlichen Auslegungen bezüglich Spannungsstabilität und Leistungsregelung zu überprüfen, zu verifizieren und abschließend zu bewerten.

Der zweite Teil seiner Arbeit untersucht die Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz elektrischer Antriebe besonders im Teillastbetrieb. So werden verteilte und konzentrierte Wicklungen verglichen. Dr. Mühlbauer belegt den Wirkungsgradvorteil der konzentrierten Wicklung und zeigt, dass der damit einhergehende geringere Phasenstrom auch die Verluste der Leistungselektronik vermindert. Eine zusätzliche Anpassung der Halbleiterchipfläche in der Leistungselektronik erlaubt eine weitere Verringerung der Verluste. Durch eine zusätzliche Variierung der stromführenden IGBT-Chipfläche im laufenden Betrieb lässt sich der Wirkungsgrad besonders in Teillast noch weiter steigern.

Mit einer Simulationsplattform für einen Traktionsantrieb eines Elektrofahrzeugs konnte Dr. Mühlbauer die vorgenannten Zusammenhänge erfolgreich verifizieren.

Der abschließende Vergleich eines Standardantriebs mit dem verlustoptimierten Antrieb erbrachte im realistischen Artemis Road Fahrzyklus eine Reduzierung der Verluste um 34% und damit eine Energieeinsparung von 7%.

„Besonders die Praxisorientierung seiner Arbeit finde ich beeindruckend. Klaus Mühlbauers Arbeit enthält für uns absolut wichtige Anstöße“, so Dr. Böhm.

Die Jury setzte sich aus Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling vom Lehrstuhl für Elektrische Antriebstechnik und Aktorik der Universität der Bundeswehr Mu?nchen, Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke vom Lehrstuhl fu?r Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nu?rnberg, PD Dr.-Ing. habil. Andreas Möckel vom Fachgebiet Kleinmaschinen der Technischen Universität Ilmenau, Dr.-Ing. Ralph Böhm, Vice President Research & Development der Bu?hler Motor GmbH und Peter Muhr, President & CEO der Bu?hler Motor GmbH zusammen.

Der Bühler Motor Mechatronic Award wurde wieder von Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling, Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke und PD Dr.-Ing. habil. Andreas Möckel gemeinsam mit der Bühler Motor GmbH ausgeschrieben. Sinn des Awards ist es, herausragende Leistungen bei Diplom-, Master- und Doktorarbeiten zu würdigen und zu fördern.

Die Preisverleihung erfolgte am 30. September 2014 im Rahmen der E|DPC (4rd International Electric Drives Production Conference and Exhibition in Nu?rnberg). Das Preisgeld beträgt 5.000 Euro.