Simulationstools bändigen brüllende Kraftpakete

11. Mai 2010, 21:45
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Wie macht man teure elektrische Maschinen effizienter und dabei umweltverträglicher und leiser?

Ein Christian-Doppler-Labor an der Technischen Universität Graz entwickelt die dazu nötigen Werkzeuge.

Wer das Pech hat, in der Nähe einer Baustelle zu wohnen, wird sich vielleicht schon einmal Gedanken über die erschütternde Kraft und Lärmentwicklung gewisser Maschinen gemacht haben. Gedanken, die auf weniger emotionalem Niveau auch die Mitarbeiter des CD-Labors für Multiphysikalische Simulation, Berechnung und Auslegung von elektrischen Maschinen an der TU Graz beschäftigen.

Ist doch der Entwurf einer elektrischen Maschine "eine der größten Herausforderungen in den Ingenieurwissenschaften überhaupt, weil dabei viele verschiedene physikalische Phänomene und deren Wechselwirkung berücksichtigt werden müssen", weiß Laborleiter Oszkár Bíró. "In elektrischen Maschinen wirken magnetische und elektrische Felder bzw. Kräfte, die von den Feldern erzeugt werden." Infolge dieser Felder entsteht Wärme und somit auch ein thermisches Problem. Diese Kräfte ermöglichen nicht nur das Funktionieren der Maschine, sondern erzeugen auch mechanische Vibrationen, die wiederum bei den elektrischen, magnetischen und thermischen Feldern eine Wechselwirkung hervorrufen und zudem für die Geräuschentwicklung verantwortlich sind.

"Es ist daher notwendig, noch speziellere, auf den multiphysikalischen Charakter elektrischer Maschinen zugeschnittene Analyseverfahren zu entwickeln", so Bíró. Zu diesem Zweck werden am CD-Labor mathematische Formulierungen bzw. entsprechende Algorithmen für eine umfassende Simulation elektrischer Maschinen entwickelt.

Aufgrund der stetig wachsenden Computerleistung können heute bereits sehr realitätsnahe Simulationen durchgeführt werden. Dadurch ist es möglich, nicht nur unerwünschte Nebenwirkungen zu vermindern, sondern etwa auch die Energieverluste durch Wärmeentwicklung zu minimieren und die Effizienz von Maschinen – also das Verhältnis zwischen der eingesetzten elektrischen und der abgegebenen mechanischen Leistung – zu erhöhen. Zwar haben elektrische Maschinen heute bereits einen hohen Effizienzgrad erreicht, doch selbst eine Steigerung um nur den Bruchteil eines Prozents bringt global gesehen eine enorme Energieeinsparung.

Optimierte Energie

So könnte man etwa mit einem Windkraftgenerator von fünf Megawatt, der durch Optimierung um ein Prozent weniger Energie verbraucht, in einer Woche so viel Energie einsparen, wie ein durchschnittlicher Haushalt in einem ganzen Jahr benötigt.

Gerade bei großen, teuren Maschinen, die nur in geringer Stückzahl produziert werden, spielen ausgereifte Simulationstools eine wichtige Rolle, da der Bau eines Prototyps oft sehr hohe Kosten verursachen würde. Mittels Simulation erfährt man bereits vor ihrer Herstellung, ob eine Maschine den Anforderungen genügen wird, wie groß ihr Wirkungsgrad ist, wie viel Energie verlorengeht, wie die Kühlung anzusetzen ist, damit die entstehende Wärme die einzelnen Teile nicht zerstört, oder wie man die für unerwünschte Geräusche verantwortlichen Vibrationen vermeidet. "Das Ergebnis unserer Forschung sollen letztlich benutzerfreundliche Entwicklungswerkzeuge für die Industrie sein, deren Einsatz keine spezielle Simulationsexpertise erfordert", betont Oszkár Bíró.

Bis es so weit ist, müssen die Forscher allerdings noch einige wissenschaftliche Herausforderungen bewältigen: "Eine davon ist die gleichzeitige Berücksichtigung sehr vieler verschiedener Aspekte", sagt der Simulationsexperte. Für rauchende Köpfe sorgt auch die Komplexität der mathematischen Modelle, die zu sehr langen Simulationszeiten führt: "Damit die Berechnungen nicht wochenlang dauern, arbeiten wir ständig an der Optimierung dieser Modelle."

Für Praxisnähe sorgen mit der Elin Motoren GmbH in Preding bei Weiz und der Firma Traktionssysteme Austria GmbH in Wiener Neudorf zwei Wirtschaftspartner, die Motoren und Generatoren für Industriemaschinen produzieren, sowie die AVL List GmbH in Graz mit ihren Fahrzeug-Hybridmotoren. "Die neuen Simulationswerkzeuge werden unseren Kooperationspartnern größere Innovationsschritte als bisher erlauben, da sie den Entwicklungsprozess beschleunigen und beträchtlich kostengünstiger machen", ist Oszkár Bíró überzeugt. (Doris Griesser/DER STANDARD, Printausgabe, 12.05.2010)

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