“Prüfstand für E-Motoren”: HWT-Projekt an FH Kiel
Veröffentlicht: 21.09.2009
Der Prüfstand für E-Motoren an der FH Kiel
An der FH Kiel kommen elektrische Antriebe unter die Lupe: Die Forscher entwickeln einen Prüfstand, mit dem der Wirkungsgrad von Elektromotoren voll automatisiert ermittelt werden kann. So soll in einem ersten Projekt geklärt werden, ob ein neuer Niederspannungs-Antrieb für Gabelstapler und Kehrmaschinen effizienter ist als ein von Bleiakkus betriebener Motor im Kleinspannungsbereich.
So langsam kommt der Prüfling ordentlich auf Touren. Gerade hat sich seine Drehzahl erneut um eine Stufe erhöht. Die Antriebswelle dreht sich schneller, das Motorengeräusch ertönt höher und lauter. Gespannt verfolgen Sebastian Fricke und Jan Michael auf einem Laptop, wie ein Messpunkt nach dem anderen in einer Matrix erscheint. Die beiden Bachelor-Absolventen der FH Kiel analysieren in einem Prüfstand den Wirkungsgrad eines Elektromotors, der in der Praxis in Industriebetrieben zum Einsatz kommt: als Antrieb für Gabelstapler.
Während die Automobilindustrie mit Hochdruck elektrische Antriebe als Ersatz für Verbrennungsmotoren entwickelt, fahren Gabelstapler und andere mobile Arbeitsgeräte seit jeher elektrisch - mit Hilfe klassischer Bleibatterien. »Die Motoren sind in der Regel Asynchron- oder Synchronmotoren mit sehr wenig Wicklungssträngen, durch die sehr hohe Ströme fließen«, erläutert Professor Christoph Weber vom Institut für Mechatronik. Gängig seien Spannungen im Kleinspannungsbereich. So läge bei einer Spannung von 80 Volt die Leistungsgrenze der Antriebe etwa bei 20 Kilowatt. Eine Steigerung sei durch höhere Spannungen zu erreichen - aber genau darin liegt die Crux: Entsprechende Batterien waren für Antriebssysteme im Niederspannungsbereich in kompakter Bauweise bisher nicht verfügbar.
Dank der Fortschritte im Automobilsektor könnte sich das künftig ändern. Neue Lithium-Ionen-Akkus verfügen über eine hohe Leistungsdichte, eine kompakte Bauform und sind vergleichsweise leicht. »Allerdings kommen bei den mobilen Arbeitsmaschinen ganz andere Fahrmanöver und Belastungen zum Tragen als bei den Autos«, sagt Weber. »Ihre Hersteller stehen somit vor der Frage, ob sich der Einsatz von Niederspannungsantrieben auch tatsächlich lohnt.«
Die Antwort wollen die Forscher an der FH Kiel mit ihrem neuen Prüfstand geben - und zwar bereits frühzeitig im Entwicklungsprozess, ohne dass der Motor bereits in ein neu zu entwickelndes Fahrzeug eingebaut werden muss. »Wir haben im Prüfstand den Elektromotor mit einer Lastmaschine gekoppelt«, erläutert Sebastian Fricke den Versuchsaufbau. »Bei jeder Drehzahl simuliert sie verschiedene Beanspruchungen des Motors.« Egal, ob Kurve fahren oder Lasten anheben - die Forscher steuern mit dem Prüfstand die Betriebspunkte an, die für mobile Arbeitsmaschinen in der Praxis interessant sind.
Um herauszubekommen, wo Verluste auftreten, wird die Leistung an drei Stellen simultan gemessen: zwischen Batterie und dem Umrichter, der den Gleichstrom des Akkus in Wechselstrom für den Motor umwandelt, zwischen Umrichter und Motor sowie zwischen Motor und Lastmaschine. Für jeden getesteten Antrieb entsteht durch die Messungen ein mehrdimensionales Kennlinienfeld, in dem alle Betriebspunkte eingezeichnet sind. »Dieses Feld lässt dann Aussagen darüber zu, mit welchen Verbrauchsdaten zu rechnen ist«.
Den Prüfstand haben die Wissenschaftler mit Mitteln aus dem Programm »Hochschule-Wirtschaft-Transfer« (HWT) von der Innovationsstiftung Schleswig-Holstein und dem Wirtschaftsministerium einrichten können. Die Lastmaschine war bereits an der FH vorhanden. Das Team von Professor Weber musste Umrichter, Elektronik und Messequipment anpassen und nicht zuletzt Auswerteroutinen entwickeln, die einen automatisierten Messvorgang ermöglichen.
Prof. C. Weber, FH Kiel (re.) am Prüfstand
Von den ersten Untersuchungen könnte zunächst ein norddeutsches Gabelstaplerunternehmen profitieren, das als Unternehmenspartner am geförderten Projekt beteiligt ist. Ist die Anlage optimiert, sei die FH Kiel später in der Lage, als Dienstleister auch für andere Unternehmen zu agieren, sagt Professor Weber. »Mit dem neuen Prüfstand haben wir ein wahres Schätzchen zu bieten.«