Es begann mit einer recht simplen Idee: Kann man elektrische Maschinen verbessern, indem man mehrere Rotoren zu einem effizienteren Gesamtsystem vereint? Prof. Manfred Schrödl zeigte, dass das tatsächlich möglich ist und vereinte vier Generatoren mit einem speziellen Getriebe zu einem neuartigen „Planetengenerator“. Auf der Hannover Messe 2018 wird nun ein leistungsstarker Prototyp des kompakten Planetengenerators erstmals präsentiert. Die Maschine ist gleichzeitig Generator, Motor und Getriebe – in extrem kompakter Bauweise, mit verbesserter Effizienz und geringen Herstellungskosten.

Generator und Motor gleichzeitig
Grundsätzlich sind alle Generatoren und Elektromotoren ähnlich aufgebaut: Innen befindet sich ein Rotor, außen sind mehrere elektromagnetische Spulen angebracht. Beim Generator wird der Rotor durch eine äußere Kraft gedreht (etwa durch ein Wind- oder Wasserrad), und Strom wird erzeugt. Der Motor ist die Umkehrung davon.

„Wenn man mehrere dieser elektrischen Maschinen nebeneinanderpackt, dann kann man durch eine geschickte geometrische Anordnung die Effizienz steigern und das Gesamtgewicht erheblich reduzieren“, erklärt Prof. Manfred Schrödl, Vorstand des Instituts für Energiesysteme und Elektrische Antriebe der TU Wien. „Wir positionieren die elektromagnetischen Spulen so, dass eine Spule gleichzeitig mit zwei verschiedenen Rotoren wechselwirkt. So kann die Hälfte der Spulen eingespart werden, die Maschine wird viel leichter. Es entsteht eine kompakte, hocheffiziente Maschine mit vier, sechs oder acht Rotoren, die wir über eine einzige Getriebestufe miteinander verbinden.“

Rund um die Rotoren verläuft ein großer, innen gezackter Zahnkranz, in den die innenliegenden Zahnräder der Rotoren greifen – ein Konzept, das einem herkömmlichen „Planetengetriebe“ ähnelt, weshalb der neuartige Generator auch als „Planetengenerator“ bezeichnet wird.

Das Getriebe ist Teil der Maschine
„Die Maschine kann einerseits als elektrischer Generator, andererseits als Motor benutzt werden. In beiden Fällen haben wir den Vorteil, dass das Getriebe bereits integraler Bestandteil der Maschine ist, wobei die einzelnen Zähne weit weniger belastet werden als in einem herkömmlichen Getriebe“, erklärt Manfred Schrödl. „Dadurch benötigt die Maschine weniger Platz und man kommt auch mit kostengünstigerer Stahlqualität aus. Außerdem können die Rotoren schlanker gebaut werden, sodass sie eine weit höhere Umlaufgeschwindigkeit erreichen können, ohne das Material zu sehr zu belasten. Bei gleicher Leistung kann man Volumen und Gewicht der Maschine daher um bis zu ein Drittel reduzieren.“

Für Windkraftwerke oder Kleinwasserkraftwerke ist der Planetengenerator bestens geeignet – dort werden Generatoren mit Übersetzungen von niedrigen zu hohen Drehzahlen benötigt. Die neuartige Kombination aus Generator und Elektromotor eignet sich auch besonders für Elektroautos, Zug- und Baumaschinen, Förderbänder und Kräne, bei denen die Energie beim Bremsen höchst effizient wieder zurückgewonnen werden soll.

An der TU Wien wurden bereits verschiedene Typen der neuartigen Maschine entworfen, die für den industriellen Einsatz ausgelegt sind - zwei davon mit Firma Zoerkler, der die spezielle Getriebestufe entwickelt und gefertigt hat. „Die kompakte Bauweise erlaubt eine einfache Montage der Leistungselektronik und gemeinsam mit dem integrierten Getriebe wird ein hoher Automatisierungsgrad in der Fertigung ermöglicht“, betont Manfred Schrödl. Die elektronische Regelung kann ohne Sensoren erfolgen und ist daher ausfallssicher – im Gegensatz zu herkömmlichen Maschinen.


Auf der Hannover Messe werden vom 23.4. bis 27.4.2018 in Halle 5 auf Stand D18 neben dem Planetengenerator auch folgende Innovationen von der TU Wien sowie einem Spin-off präsentiert:
- Modulare Pumpturbine: für kostengünstiges dezentrales Management volatiler erneuerbarer Energie von 0,5 bis 15 MW mit Systemwirkungsgrad von 70 bis 80 %
- Kompakter Hochleistungswärmespeicher: lange Speicherzeit, hochdynamisch – z. B. zur Vermeidung von Kaltstarts von Motoren
- Neues Filter- und Kompressorsystem für den Transport von hochreinem Wasserstoff über das herkömmliche Gasnetz – HylyPure®
- Neuartige Polyimid-Partikel für Hochleistungs-Komposite: höchste mechanische, thermische, chemische und Strahlungs-Resistenz, geringste Wärmedehnung und Gewicht
- Hot Lithography: hochpräziser 3D-Druck von Hochleistungskunststoffen für die Industrie – gemeinsam mit Cubicure, einem Spin-off der TU Wien
- Sensorlose Magnetlager: höchste Dynamik, erhöhte Sicherheit, reduzierte Kosten und Baugröße
- Sensorlose Motorenregelung: für kostengünstige Reluktanzmotoren – als Ersatz für Asynchronmaschinen – sowie für Permanentmagnet-Motoren
- Neuartige Messtechnik für Geschwindigkeit und gleichzeitig Konzentration von Flüssigkeiten für die Industrie
- Erster handlicher Scanner zur Qualitätskontrolle in der Liefer- und Verarbeitungskette von Bitumen

Näheres zum Auftritt der TU Wien bei der Hannover Messe (inkl. Downloads): www.tuwien.ac.at/hm2018, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Kontakt:

Bei wissenschaftlichen Fragen:

Prof. Manfred Schrödl
Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe
Technische Universität Wien
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Zum Auftritt der TU Wien bei der Hannover Messe:

Dipl.-Ing. Peter Heimerl
Fachbereich Forschungsmarketing
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Karlsplatz 13, 1040 Wien
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PR und Marketing
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