Topologieoptimierung zur Auslegung ressourceneffizienter elektrischer Maschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ingo Hahn
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542495945

Vor dem Hintergrund weltweit knapper werdender Materialressourcen, speziell von Seltenen Erden, die als Materialien für Permanentmagnete für den Elektromaschinenbau gebraucht werden, ist der schonende und effiziente Einsatz dieser verfügbaren Materialien von besonderer Bedeutung. Schon bei der Auslegung und Optimierung elektrischer Maschinen sollte dieser Aspekt zukünftig weiter an Bedeutung gewinnen. In der Vergangenheit und auch in der gegenwärtigen Praxis der Optimierung elektrischer Maschinen wird dieser Aspekt allerdings eher vernachlässigt. Aktuell liegt der Fokus zumeist auf der Darstellung der gewünschten Betriebseigenschaften in einem begrenzten Bauraum für die elektrische Maschine und auf einer Reduktion der Herstellkosten ohne Berücksichtigung der Ressourceneffizienz. Hauptziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es, eine Methodik zur Auslegung ressourceneffizienter elektrischer Maschinen auf Basis der diskreten Topologieoptimierung zu entwickeln und damit die im Folgenden genannten Arbeitshypothesen in geeigneter Weise kritisch zu überprüfen. 1) Methoden der Topologieoptimierung ermöglichen ressourceneffizientere Maschinenentwürfe als herkömmliche Methoden bei fester Topologie und ansonsten gleichbleibenden Anforderungen an die Betriebseigenschaften; 2) Methoden der diskreten Topologieoptimierung führen direkt zu besser angepassten Maschinenentwürfen als andere Verfahren der Topologieoptimierung; 3) Resultierende optimale Materialverteilungen aus der diskreten Topologieoptimierung sind fertigbar, sofern ein Kriterium zur Bewertung der Materialkonnektivität als weiteres Optimierungsziel berücksichtigt wird; 4) Deterministische Methoden der diskreten Topologieoptimierung können zu vergleichbar guten Ergebnissen gelangen wie evolutionäre oder stochastische Methoden. Die Forschungsarbeiten sollen unter dem Fokus der Reduktion des Materialeinsatzes für die aktiven Bauteile und Baugruppen in elektrischen Maschinen durchgeführt werden, auch wenn die Ressourceneffizienz eigentlich über den gesamten Produktlebenszyklus betrachtet werden müsste, also vom Entwicklungsprozess über die Rohstoffgewinnung und -verarbeitung, den Herstellprozess, den Betrieb bis hin zum Recycling der elektrischen Maschine.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen