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antriebstechnik 3/2023

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antriebstechnik 3/2023

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG DRAHTLOSER TEMPERATURSENSOR ENTWICKLUNG EINES DRAHTLOSEN TEMPERATURSENSORS FÜR DIE ROTORTEMPERATURMESSUNG Was für die sogenannte weiße Ware passt, muss sich auch für andere Anwendungen in der Industrie eignen. Überzeugt von diesem Ansatz, kooperieren die Hochschule Kempten und ein Unternehmen für drahtlose Sensorsysteme eng miteinander, um ein kabelloses Sensorsystem weiterzuentwickeln. Ziel des gemeinsam von Pro-micron und der Hochschule Kempten durchgeführten Projekts ist die Weiterentwicklung eines kabellosen Sensorsystems, das seit Jahren im automatisierten Garprozess in der weissen Ware zum Einsatz kommt. Das System dient zur Messung der Rotortemperatur von Elektromotoren in Großserienanwendungen. Denkbar sind somit nicht nur Anwendungen in Konvektomaten, sondern in sämtlichen Bereichen, in denen eine ausgeklügelte Temperaturmessung zu besseren Antriebseigenschaften führt. Somit liegt der Mehrwert entsprechender Temperatursignale zur Steuerung elektrischer Maschinen auf der Hand und kann erhebliche Vorteile aufweisen. Auslastung, Effizienz und Drehmomentengenauigkeit sowie ein zuverlässiger Übertemperaturschutz sind nur einige Beispiele für die Vielzahl von Vorzügen, welche sich aus der Rotortemperaturmessung ergeben. Das Forschungsprojekt ist bis zum Jahr 2024 terminiert. Zentrales Thema ist die Entwicklung zweier Komponenten: Zum einen ein drahtlos abfragbaren, passiven, auf dem SAW-Prinzip (Surface Acoustic Wave = Oberflächenwellen) basierenden Temperatursensors zur Messung der Rotortemperatur von E-Motoren. Prof. Dr.-Ing. Andreas Stiegelmeyr, Koordination und Projektleitung; Prof. Dr. Rolf Jung, Teilprojektleitung; Prof. Dr.-Ing. Michael Patt, Teilprojektleitung, alle Hochschule für angewandte Wissenschaften Kempten Dieser wenige Millimeter große Sensor muss den extremen Belastungen im Motor dauerhaft standhalten und wird so in den Rotor integriert, dass er ohne Beeinflussung der Motorperformance zuverlässig die Rotortemperatur misst. Zum anderen eine sehr kompakte Sende-Empfangs-Elektronik, bestehend aus einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) als Hochfrequenz-Frontend sowie einem Micro-Controller für die komplexe Signalverarbeitung. PROJEKTZIELE BIS 2024 Die einschlägigen Erfahrungen der Firma Pro-micron in der Anwendung der Temperaturmesstechnik, gepaart mit den Kompetenzen der Hochschule Kempten in den Grundlagen der Antriebstechnik und E-Mobilität, bilden das Fundament einer dynamischen und leistungsfähigen Entwicklungspartnerschaft mit herausfordernden Projektzielen: n Drahtlose Temperatursensorik, die zur Messung der Rotortemperatur von E-Maschinen und Antrieben dient, mit dem Ziel der Großserientauglichkeit. n Sehr kompakte Sende-Empfangs-Elektronik, bestehend aus einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC). n Detaillierte Erforschung der Wechselwirkungen des Motorbetriebs und des Rotortemperaturfeldes, zur Optimierung der Applikation des Temperatursensors. n Motorintegration und Optimierung für Großserienanwendun- 40 antriebstechnik 2023/03 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG gen im Automotivebereich, durch Tests in Motorprüfständen und Fahrzeugen. n Entwicklung von neuen Regelungskonzepten zur Optimierung der Leistungsfähigkeit von E-Motoren. n Begleitende Risikoabschätzung mittels Fehlereffekt- und Ausfallanalyse (FMEA) für diverse Anwendungen. THEORIE GOES PRAXIS Für das Projekt arbeiten die beiden Partner eng zusammen. Die Aufgabengebiete entsprechen den Erfahrungen und Kompetenzen der beiden und sind folgendermaßen aufgeteilt: n Entwickeln der Sensorik und Elektronik (Pro-micron) n Erforschen der Wechselwirkung von Sensor und Motormagnetfeld in der Theorie sowie der experimentellen Bestätigung (Hochschule Kempten) n Die Motor-Integration und Verifikation der Funktionalität durch Tests in Motor-Prüfständen und Fahrzeugen (Hochschule Kempten) n Die Entwicklung von neuen Regelungskonzepten zur Optimierung der Leistungsfähigkeit von E-Motoren (Pro-micron) n Die begleitende Risikoabschätzung mittels Fehlereffektund Ausfallanalyse (FMEA) für diverse Anwendungen (Hochschule Kempten). Hinsichtlich der Integration der Sensorik werden detaillierte Feldsimulationsmodelle erstellt, die mit typischen Spannungs- und Stromsignalen (Wechselrichterbetrieb) angeregt werden. Daraus werden wiederum – anhand konkreter Anwendungsbeispiele aus den Bereichen Industrie und Fahrzeugtechnik – Auslegungs- und Applikationsregeln entwickelt. Außerdem werden Temperaturmodelle entworfen, anhand derer sich Temperaturextrapolationen vom Applikationsort des Sensors zu potenziellen Hotspots einfach durchführen lassen. Dieses Auslegungswerkzeug ist insbesondere für Anwendungen wichtig, für die keine detaillierte Maschinensimulation (zum Beispiel zum Magnet- oder Temperaturfeld) vorliegt. Bilder: Hochschule Kempten, Pro-micron Die maximale Auslastung elektrischer Antriebe bei sicherer Verfügbarkeit, setzt präzise Live-Daten der Rotortemperatur voraus. Mit E-Tdirekt bündeln wir alle notwendigen Kompetenzen für ein erfolgreiches Projekt. Bereits zum jetzigen Zeitpunkt befindet sich eine Sensoranwendung in der Fahrzeugerprobung. Prof. Dr.-Ing. Andreas Stiegelmeyr, Koordination und Projektleitung, Hochschule für angewandte Wissenschaften, Kempten 01 www.hs-kempten.de/ 01 Forschung deckt auf: Feldsimulationsmodell eines permanenterregten Synchronmotors in ANSYS Maxwell 02 Forschung baut auf: Kompletter Aufbau am Motorenprüfstand des Hochschullabors 03 Forschung hautnah: Testmotor mit appliziertem Temperatursensor am laboreigenen Motorenprüfstand 03 02 www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2023/03 41