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Fachartikel über Forschungsprojekt

Bitte leise: Elektrische Flugmotoren

02.03.2023
Timo Wilfling, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Institut ELSYS
Die Lautstärke von Drohen spielt eine große Rolle, deshalb forschen Hochschulen an effizienten und geräuscharmen elektrischen Flugmotoren.

Die Bedeutung von Drohnen in den verschiedensten Bereichen wächst stetig. Unterschiedlichste Berufe und Unternehmen nutzen Drohnen oder planen deren Nutzung. Die Lautstärke der Fluggeräte spielt für die Akzeptanz in der Bevölkerung eine große Rolle. Forschende arbeiten an starken, effizienten und geräuscharmen Antrieben. Basis sind elektrische Flugmotoren.

Innerhalb der letzten Jahre ist der Bestand an privaten und kommerziellen Drohnen enorm angestiegen, was die Entwicklung und Erweiterung der Einsatzgebiete von elektrisierten Luftfahrzeugen antreibt. Damit steigen die technischen Anforderungen an deren Antriebe, die oft elektrische Flugmotoren sind, hinsichtlich Effizienz, Lautstärke und Drehmomentdichte. Selbstgesteuerte Drohnen werden in der Land- und Agrarwirtschaft für verschiedene Aufgaben eingesetzt. Drohnen sollen auch vermehrt Pakete zustellen, erste Experimente laufen dazu vielversprechend.

Langsam drehend, aber effizient

Aus diesem Grund beschäftigt sich das ZIM-Forschungsprojekt HighTorqCraft unter der Leitung von Professor Armin Dietz mit der Entwicklung eines langsam drehenden, effizienten und drehmomentstarken Außenläufermotors für (un)bemannte Luftfahrzeuge. Für die Akzeptanz von kommerziellen Drohnen in urbanen Gebieten ist die emittierte Lautstärke der Propellerantriebe von Bedeutung, die mit der Antriebsdrehzahl ansteigt. Deshalb ist als Ziel des Forschungsprojekts ein langsam drehender Antrieb mit einer Nenndrehzahl von weniger als 2.000 rpm gefordert. Als Ausgangssituation wird der Außenläufermotor Q-150 des Kooperationspartners Hacker Motor verwendet.

Methoden

Zur Effizienzsteigerung wird die Implementierung einer kombinierten Wicklung untersucht, um Stromwärme- und Oberwellenverluste zu reduzieren. Oberwellen werden ebenfalls gezielt mithilfe von Poleshaping, also der Veränderung der Rotoroberflächenkontur, unterdrückt. Die Steigerung der Drehmomentdichte erfolgt unter der Betrachtung verschiedener Magnet-Anordnungen im Rotor. Mit innenliegenden Magneten und Flussbarrieren kann ein Reluktanzeffekt erzeugt werden, der die Ausnutzung eines zusätzlichen Drehmomentanteils ermöglicht. Damit kann die Drehmomentdichte des Motors gesteigert werden.  Zusätzlich wird das Kühlungssystem optimiert und die Verwendung von verschiedenen weichmagnetischen Werkstoffen und Fertigungseinflüssen untersucht, um den optimierten Antriebsmotor zu realisieren.

Forschungspartner Hacker Motor will die Erkenntnisse in Anwendungen nutzen

Forschungspartner Hacker Motor will die Erkenntnisse in Anwendungen nutzen

Zur Umsetzung dieser Ziele wird das institutseigene Motorberechnungsprogramm Matmax für Außenläufermotoren mit innenliegenden Magneten und kombinierte Wicklungen erweitert. Mit dem Einsatz von numerischen Optimierungsalgorithmen können die Performance, Effizienz und Drehmomentdichte verbessert werden.

Anwendung auch im Anlagenbau

Avisierte Zielmärkte sind die elektrische Luftfahrt, Elektromobilität, maritime E-Mobilität und die industrielle Antriebs- und Anlagentechnik. Ebenfalls soll das Augenmerk auf die Erfüllung der Europäischen Ökodesign-Richtline gelegt werden. Forschungspartner Hacker Motor GmbH will mit den gewonnenen Erkenntnissen elektrische Antriebe und Antriebslösungen vorantreiben

Quelle / Bilder: Technische Hochschule Nürnberg

 

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