TRR 361:  Computergestütztes elektrisches Maschinenlabor: Thermische Modellierung, transiente Analysis, Geometriebeschreibung und robustes Design

• Fachliche Zuordnung: Informatik, System- und Elektrotechnik ; Maschinenbau und Produktionstechnik ; Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Mathematik ; Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492661287

Elektrische Maschinen spielen seit Jahrzehnten eine zentrale Rolle bei der Energieumwandlung. Die moderne Leistungselektronik brachte bedeutende Verbesserungen, und zusammen mit neuen Materialien und Fertigungstechniken ergeben sich ungeahnte Möglichkeiten für Innovationen. Unterstützt durch Fortschritte bei der Konstruktionsoptimierung und der Steuerung bieten neue Antriebssysteme ein enormes Potenzial, zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrades und damit zur Erreichung der Klimaziele beizutragen.Während aktuelle Antriebssysteme mit variablen Geschwindigkeiten betrieben werden, basiert die Expertenauslegung in der Regel auf einem bestimmten Maschinentyp sowie einer Topologie. Die Auslegung basiert auf wenigen Parametern und Betriebsarten, typischerweise bei konstanter Drehzahl oder konstantem Drehmoment. Dies vernachlässigt erhebliches Optimierungspotential.Nur ein Paradigmenwechsel hin zu einem neuen integrierten Simulations- und Auslegungsansatz kann das Potenzial moderner elektrischer Antriebe voll ausschöpfen. Dieser Ansatz muss von Anfang an alle wichtigen Aspekte einer Maschine berücksichtigen, z.B. Form und Topologie, zeitabhängige Betriebszyklen, komplexes Materialverhalten, Unsicherheiten und Robustheit, neue Kühltechniken um thermische Grenzen auszureizen, Lärm und Vibrationen sowie Leistungskennzahlen. Die Modellierung, Simulation und Optimierung eines derart komplexen Systems stellt extreme Herausforderung an das Computational Engineering.Dieser Transregio legt die Grundlagen für das elektrothermische Design der nächsten Maschinengeneration, zur Bewältigung von Modellierung, Simulation und Optimierung dieser multiskaligen und multiphysikalischen Systeme. Insbesondere behandelt er (i) die Modellierung nichtlinearen Materialverhaltens, z. B. Hysterese, Verluste und neuartige Kühlstrategien, (ii) die Simulation gekoppelter elektronischer, elektromagnetischer, mechanischer und thermischer dynamischer Mehrskalensysteme, (iii) die Handhabung flexibler Geometrien, einschließlich rotierender Geometrien und geometrisches Design, (iv) die Mehrzieloptimierung von Form und Topologie, Sensitivitätsanalyse und Quantifizierung von Unsicherheiten.Innovationen in diesen Bereichen erhöhen die Vorhersagekraft von Maschinenmodellen. Sie ermöglichen es damit, neueste Errungenschaften bei der Konzeption von elektrischen Maschinen der nächsten Generation voll auszuschöpfen.Hierzu ist der TRR in vier wissenschaftliche Bereiche gegliedert sowie drei für Forschungsausbildung, Forschungsdatenmanagement und Projektmanagement. Die wissenschaftlichen Bereiche gliedern sich in Elektro- und Informationstechnik, Strömungsmechanik, Numerik und Optimierung. Ein intensiver Austausch von Ergebnissen, Modellen und Algorithmen ist geplant. Die Validierung wird durch integrierte Messungen sichergestellt. Die Multiphysik- und Multiskalenaspekte werden in einem ganzheitlichen Ansatz angegangen, der auf den interdisziplinären Charakter des Projektes abgestimmt ist.

• DFG-Verfahren: Transregios
• Internationaler Bezug: Österreich

Laufende Projekte

• A02 - Isogeometrische und Reduced Order Modelle zur effizienten Simulation von Fahrzyklen (Teilprojektleiter Gangl, Peter ;  Schöps, Sebastian )
• A03 - Modelle elektrischer Maschinen mit adaptiver Auflösung (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter De Gersem, Herbert ;  Mütze, Ph.D., Annette )
• A04 - Elektrische und thermische Belastungen in Isoliersystemen elektrischer Maschinen (Teilprojektleiterin Späck-Leigsnering, Yvonne )
• A05 - Mehrskalensimulation von Hysterese- und Wirbelstromverlusten in magnetischen Kernmaterialien (Teilprojektleiterin Xu, Bai-Xiang )
• B02 - Hocheffiziente Wärmeübertragung durch Mehrphasenkühlung (Teilprojektleiter Brenn, Günter ;  Oberlack, Martin )
• B03 - Untersuchung der Behandlung thermischer Lastspitzen im Luftspalt mittels turbulenter Aerosol-Strömungen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Hussong, Jeanette ;  Roisman, Ilia )
• C01 - Systemlevel-Ansatz zur Co-Simulation für die Analyse von Fahrzyklen (Teilprojektleiter Egger, Herbert ;  Schöps, Sebastian )
• D01 - Datengesteuerte Surrogat-Modellierung und Unsicherheitsquantifizierung bei elektrischen Maschinen (Teilprojektleiter Loukrezis, Dimitrios ;  Schöps, Sebastian )
• D03 - Design Optimierung von elektrischen Maschinen unter Unsicherheit und optimales Design von Experimenten für die Parameteridentifikation (Teilprojektleiter Ulbrich, Stefan )
• INFZ02 - Forschungsdatenmanagement (DFG) (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Bali, Madeleine ;  Kummer, Florian )
• MGKZ01 - Integriertes Graduiertenkolleg (DFG) (Teilprojektleiter De Gersem, Herbert ;  Schanz, Martin )
• Z03 - Zentrales Verwaltungsprojekt (DFG) (Teilprojektleiter Schöps, Sebastian )

• Antragstellende Institution: Technische Universität Darmstadt
• Mitantragstellende Institution: Technische Universität Graz
• Beteiligte Hochschule: Johannes Kepler Universität Linz
• Sprecher: Professor Dr. Sebastian Schöps