antriebstechnik 12/2024

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNGELEKTROMOTOREN IN DER LUFTFAHRT VON MORGENHOCH IN DER LUFT: VERDICHTER FÜRSTRATOSPHÄRENFLUG OPTIMIERTPankl Turbosystems setzt auf Innovation und Wachstum mithochmodernen Brennstoffzellen-Luftversorgungssystemen.Ein erfolgreicher Entwicklungsauftrag an das Linz Center ofMechatronics hat zu leistungsstarken, kompakten Elektromotorengeführt – ein Meilenstein für die Energiewende unddie Luftfahrt der Zukunft. Eine erste Anwendung sind unbemannteZero-Emission-Flugobjekte, die künftig aus der Stratosphäre eineunterbrechungsfreie LTE/4G/5G-Datenverbindung sicherstellen sollen.01Mit seinen innovativen, hochmodernen Turbolader-Anwendungen genießt Pankl Turbosystems weltweiteinen hervorragenden Ruf. Sowohl bei Brennstoffzellen-Luftversorgungssystemen(FCAS Fuel Cell AirSupply) als auch bei elektrisch unterstützten Abgasturboladern(EAT Electrically Assisted Turbocharger) sieht das Unternehmenaus Mannheim großes Wachstumspotenzial.Aufgrund eines dynamischen Auftragsmarkts erteilte PanklTurbosystems einen Entwicklungsauftrag an das Linz Center ofMechatronics (LCM). Dieser lässt sich knapp zusammenfassen:Um den technologischen Vorsprung auszubauen, müssen jeneElektromotoren, die in FCAS- und EAT-Systemen die Verdichterräderantreiben, leichter, kleiner und leistungsstärker werden.Sie werden in der Luftfahrt, in Nutzfahrzeugen, Schiffen oderZügen sowie in stationären Systemen eingesetzt.Nach neun Monaten lieferte LCM die ersten Funktionsmusterfür die hochdrehenden Elektromotoren. Sie liefern Drehzahlenvon bis zu 140.000 U/min und eine Nennleistung von 22 kW. Damithaben sie die Erwartungen von Pankl vollständig erfüllt. Einvon Pankl Turbosystems und LCM optimierter Verdichter dürftees sogar an Bord eines unbemannten Zero-Emission-Flugobjektsschaffen. „Selbst wenn dieses Projekt noch in einem sehrfrühen Stadium ist, zeigt es die enorme Dynamik in der Brenn-stoffzellen-Technologie“, sagt Gerhard Krachler, ManagingDirector der Pankl Turbosystems GmbH. Das innovative Luftzufuhrsystemwurde für Flüge in die Stratosphäre entwickeltund sei zukunftsweisend, so die Einschätzung des ManagingDirectors.Im Auftrag der britischen Stratospheric Platforms Ltd, einesHerstellers von Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt, hat Panklgemeinsam mit weiteren internationalen Unternehmen an derEntwicklung eines unbemannten Zero-Emission-Flugobjekts gearbeitet.Es soll künftig aus der Stratosphäre (circa 10 bis 50 km)unterbrechungsfreie LTE/4G/5G-Datenverbindungen sicherstellen.Stratosphärenflugzeuge können in Höhenbereichen vonetwa 15 bis 25 km fliegen.PARTNER FÜR WASSERSTOFFTECHNOLOGIEDas von Pankl entwickelte mehrstufige System sichert in jederFlughöhe die optimale Luftzufuhr für die Brennstoffzelle. Die erfolgreicheValidierung erfolgte durch Simulation stratosphärischerUmweltbedingungen bei Bodentests. „Auch bei diesemWasserstofftechnologie-Projekt war das Motor Technology-Teamvon LCM rund um Team-Leader Josef Passenbrunner ein unentbehrlicherPartner“, sagt Krachler. So unterschiedlich die Techno-40 antriebstechnik 2024/12 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG0201 Nach nur neun Monaten lieferte LCM die erstenFunktionsmuster der hochdrehendenElektromotoren an Pankl Turbosystems; sie liefernDrehzahlen von bis zu 140.000 U/min und eineNennleistung von 22 kW02 Hubert Mitterhofer, Business Area ManagerDrives bei LCM, hat den Statordes neu entwickelten, hochdrehendenElektromotors im Fokuslogie bei Verbrennungsmotoren und Wasserstoffantrieben auchist, die Aufgabenstellung für das LCM-Entwicklungsteam ändertsich kaum.LEICHTER, KLEINER UND STÄRKER„Es geht immer darum, den Motor für die Luftzufuhr leichter, kleinerund leistungsstärker zu machen“, erläutert Passenbrunner.„Einerseits war eine möglichst hohe Drehzahl für die Verdichterrädergefordert, was kleine Rotordurchmesser erfordert, die denFliehkräften standhalten können.“ Der Motor könne im Gegenzugaber nicht beliebig verlängert werden, da sowohl der verfügbareBauraum als auch die Rotordynamik klare Grenzen setzen.„Überschreitet man die Stabilitätsgrenze, kann es zu Vibrationenkommen, die bis zur mechanischen Zerstörung des Motors führen“,erklärt Passenbrunner. Um auf spezifische Kundenanfragenrasch mit maßgeschneiderten Lösungen reagieren zu können,hat Pankl Turbosystems LCM mit einer kompletten Neuauslegungdes Elektromotors beauftragt.Dass sich die Neuauslegung des Motors nicht mit am Marktverfügbaren Standardkomponenten realisieren lässt, wird schonbei den speziellen und herausfordernden Randbedingungen klar.Ausgehend von einer speziellen Motortopologie muss bei hochdrehendenMaschinen großer Wert auf die Betrachtung von AC-Verlusten gelegt werden. „Alleine in der Wahl der Leiteraufteilungliegt Optimierungspotenzial“, erläutert Passenbrunner.HOHER WIRKUNGSGRAD IN DER SIMULATIONVon der Baugröße des Motors über die Materialauswahl bis zurDimensionierung jedes Bauteils: Um alle Komponenten für denoptimalen Antrieb zusammenzustellen, kommt „SyMSpace“ zumEinsatz. Die Software-Plattform von LCM für die mechatronischeProduktentwicklung führt dabei die dafür nötige sogenannte„multikriterielle Optimierung“ (Mehrzieloptimierung) durch.Dabei werden Zielgrößen wie die Länge des Motors und dasGewicht minimiert, der Wirkungsgrad hingegen maximiert. Auchdie Rotorintegrität bildet dabei ein wesentliches Kriterium, welchesin der Optimierung mit betrachtet werden muss. „Das Ergebnisdieser Berechnung mit mehreren tausenden Varianten istAUTORDr. Franz Georg LachnerAgentur für Strategie &Kommunikation GmbH, Linzein Elektromotor in der geforderten Baugröße, der in der Simulationeinen Wirkungsgrad von 97 Prozent erreicht. Es lässt sichkein Parameter weiter verbessern, ohne einen anderen zu verschlechtern“,sagt Passenbrunner.ERWARTUNGEN VOLLAUF ERFÜLLTBis zu 140.000 U/min schafft der von LCM neu entwickelte Motormit rund 9 cm Länge und einem Durchmesser von rund 10 cm.„LCM hat uns schon mit dem ersten Funktionsmuster überraschtund unsere Erwartungen vollauf erfüllt. Seither haben wir dasTempo unserer Entwicklungszusammenarbeit sukzessive erhöht“,resümiert Krachler.Da die Brennstoffzellen-Luftversorgungssysteme und Abgasturboladervon Pankl für sehr spezifische Anwendungen entwickeltwerden, sind die Stückzahlen naturgemäß gering. „UnsereEntwicklungszusammenarbeit mit LCM ist langfristig, weil wirständig neue Anfragen mit ebenso neuen Aufgabenstellungenbekommen“, berichtet Krachler. Neben der herausragendenKompetenz und dem Tempo schätze er an seinen Linzer Partnernauch die hohe Transparenz der Prozesse und die offeneKommunikation. „LCM hat es geschafft, technisch und zeitlichextrem sportliche Herausforderungen zu meistern. Mittlerweileschaffen wir es, innerhalb von sechs bis neun Monaten nachKunden anfrage einen Prototyp zu liefern.“ENTWICKLUNGSPARTNER OHNEEIGENE SERIENFERTIGUNGDa Pankl auch Einblick in die Entwicklungsarbeit von LCM erhält,können die Partner gemeinsam nach geeigneten Produktionsbetriebenfür Kleinserien suchen. Als reines Entwicklungsunternehmenohne nachgelagerte Produktionsabteilung könne dasLCM mit hoher Schlagzahl agieren, sagt LCM-GeschäftsführerJohann Hoffelner. „Wir sind keinen Lieferanten verpflichtet undmüssen unsere Entwicklungen nicht auf spezielle Produktionsprozesseausrichten. Dadurch können wir uns voll und ganz aufdie technisch und wirtschaftlich beste Lösung für unsere Kundenkonzentrieren.“Dass LCM im Entwicklungsprojekt mit Pankl auch die Effizienzder Brennstoffzelle und damit die Energiewende vorantreibt,freut Hoffelner besonders. „Es ist für unser gesamtes Team immereine besondere Motivation, Zukunftstechnologien praxistauglichzu machen.“Bilder: Wakolbinger, Aufmacherbild: studio023 – stock.adobe.comwww.lcm.atwww.antriebstechnik.de antriebstechnik 2024/12 41