Effizientere Energiewandler

  • 20. August 2013

Forschungsverbund SIMUROM zur Simulation und Optimierung gestartet.

Ob in der Industrie, im Haushalt, im Elektroauto oder -fahrrad: Elektrische Maschinen und Produkte gewinnen auch durch die Energiewende immer mehr an Bedeutung. Um ihre Effizienz zu steigern, müssen sie am technischen Limit entwickelt werden. Der neue Forschungsverbund SIMUROM unter Koordination der TU Darmstadt arbeitet deshalb an neuen mathematischen Methoden, die das Auslegen von Maschinen noch zuverlässiger machen und gleichzeitig den Wirkungsgrad der Geräte weiter erhöhen sollen.

Den Anfang Juli gestartete Forschungsverbund SIMUROM (Simulation und robuste Optimierung von elektromechanischen Energiewandlern unter Berücksichtigung von Unsicherheiten) koordiniert die Graduiertenschule Computational Engineering der TU Darmstadt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert ihn im Rahmen der Initiative „Mathematik für Innovationen in Industrie und Dienstleistungen“. Weitere akademische Partner sind Andreas Bartel vom Lehrstuhl für Angewandte Mathematik an der Bergischen Universität Wuppertal, Michael Hinze vom Lehrstuhl für Optimierung komplexer Systeme an der Universität Hamburg und Stefan Ulbrich, Fachbereich Mathematik der TU Darmstadt.

Weiterer Kooperationspartner ist Herbert De Gersem (Wave Propagation und Signal Processing) von der KU Leuven, Belgien. Praxispartner sind die Robert Bosch GmbH, Stuttgart, und der Darmstädter Softwarehersteller CST – Computer Simulation Technology AG. Dabei hat die Nachwuchsförderung einen hohen Stellenwert: Der Verbund besteht zur Hälfte aus Nachwuchswissenschaftlern, außerdem umfasst das Projekt vier Doktorandenstellen mit je drei Jahren Laufzeit.

Das Verbundprojekt untersucht Fragen, die sich an den Bedarfsfeldern der Hightech-Strategie 2020 der Bundesregierung orientieren: Klima, Energie, Mobilität. Effizientes Design von elektrischen oder elektromechanischen Energiewandlern, wie zum Beispiel Motoren, Generatoren und Wirbelstrombremsen, muss viele Komponenten berücksichtigen. Bei Berechnungen gilt es, Systeme mit Millionen von Unbekannten zu lösen. Multiphysikalische Effekte wie Wirbelströme, Anregungen elektrischer Netzwerke, Rotorbewegungen oder Wärmeentwicklung müssen die Entwickler ebenfalls einbeziehen, so dass hoch aufgelöste Simulationen von komplizierten Geräten derzeit oft eine Woche oder länger dauern.

Trotz möglichst hoher Genauigkeit sind Simulationsergebnisse oft nur grobe Näherungen an die Wirklichkeit. Um zu vermeiden, dass kleine Abweichungen vom Referenzentwurf, beispielsweise in der Fertigung, zu unerwarteter Minderleistung oder Ausfällen führen, ist heute eine auf Erfahrungswissen beruhende Überdimensionierung erforderlich.

Hier setzt SIMUROM an. Ziel des Vorhabens ist es, durch Grundlagenforschung Methoden zu entwickeln, die es in Zukunft erlauben, elektrische Motoren, wie sie zum Beispiel im Bosch eBike eingesetzt werden, direkt am Computer „robust“ zu optimieren. Auf Grund der hochdimensionalen Problemstellungen kommen hier Modellordnungsreduktions- und -adaptationsverfahren zum Einsatz.

Mit dem neuen mathematischen Verfahren des Computational Engineering sollen Hersteller zukünftig noch näher an die Grenzen des physikalisch Machbaren gehen können, ohne Einbußen im Betrieb befürchten zu müssen. Multiphysikalische Effekte wie Erhitzung finden noch realistischer im Design Rücksicht; das Risiko von Alterungsprozessen wird durch stochastische Verfahren abgeschätzt und somit die Zuverlässigkeit erhöht.

TU Darmstadt / PH

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