Den Dreh raus

Ob Rolltreppe, Industrieroboter oder Straßenbahn – Elektromotoren sind aus unserem Leben kaum mehr wegzudenken. Solche Motoren funktionieren meist wie folgt: In einem feststehenden Maschinenteil, dem Stator, wird durch eine Wicklung ein rotierendes Magnetfeld erzeugt. Der drehbar gelagerte Rotor richtet sich an diesem Magnetfeld aus und generiert dadurch mechanische Leistung in Form von Drehung an einer Antriebswelle. Je nach Dreh- und Kraftrichtung kann diese elektrische Maschine als Motor oder als Generator arbeiten.

Stand der Technik

Bei sogenannten Synchronmaschinen, bei denen der Rotor synchron zum Statordrehfeld läuft, werden dabei zwei Mechanismen zur Krafterzeugung genutzt: Zum einen die Anziehung magnetischer Nord- und Südpole, zum anderen die Anziehung von Eisen durch Magnete.

Technologie

Für diese Synchronmotoren haben Wissenschaftler des Elektrotechnischen Instituts (ETI) am KIT die Rotorstruktur dahingehend optimiert, dass bei gleicher Baugröße stärkere Antriebe mit besserem Wirkungsgrad gebaut werden können. Bei herkömmlichen Maschinen ist die geometrische Ausrichtung der beiden krafterzeugenden Prinzipien bauartbedingt nicht optimal. Je nach Lage des Rotors zum Statorfeld ist entweder die eine oder die andere Kraft maximal. Durch eine strukturelle Änderung der Rotorgeometrie kann das System so verändert werden, dass beide Kräfte optimal ausgenutzt werden. Ein weiteres Novum besteht in der Erzeugung des Magnetfelds im Rotor. Hierfür werden traditionell entweder Permanentmagnete oder Spulen genutzt. Der neue Motor kombiniert beide Möglichkeiten: Die Permanentmagnete sorgen für einen hohen Wirkungsgrad, die Spulen ermöglichen die Veränderung des Magnetfelds in seiner Stärke und Ausrichtung. Dadurch kann das abgegebene Drehmoment bei jeder Drehzahl maximiert und die Verluste minimiert werden.

Vorteile

Am Prüfstand wurde ein Prototyp bereits erfolgreich getestet. Der neue Motor erreicht im Vergleich zu einer konventionellen Maschine gleicher Größe und Auslegung ein um fünf Prozent größeres Drehmoment und einen um zwei Prozent besseren Spitzenwirkungsgrad.

Optionen für Unternehmen

Das KIT sucht Industriepartner, die an einer Kooperation oder einem Pilotprojekt interessiert sind.