14.02.2022 – Kategorie: Konstruktion & Engineering

Hydrauliksystem: Durch Elektrifizierung die Nachhaltigkeit steigern

HydrauliksystemQuelle: GettyImages/Avalon_Studio

Eine Gruppe von Professoren und Hochschulabsolventen der Universität Minnesota wollte die Effizienz eines 20-Tonnen-Baggers verbessern und durch Elektrifizierung die Nachhaltigkeit und Energieeffizienz von geländegängigen Schwerlastfahrzeugen steigern. In diesem Projekt spielte die Simulationslösung Simcenter Magnet eine wichtige Rolle.

Hydrauliksystem: Die erforderliche Leistungsdichte für elektrifizierte Schwermaschinen zu bestimmen, ist schwieriger als es scheint. Trotzdem hat es eine begeisterte Gruppe Professoren und Hochschulabsolventen der Universität Minnesota und dem Wisconsin Electric Machines and Power Electronics Consortium (Wempec) nicht davon abgehalten, sich dieser Aufgabe zu widmen.

Hydrauliksystem auf dem Prüfstand

Wempec ist ein Technologiezentrum mit Sitz an der University of Wisconsin-Madison (UW-Madison). Sie arbeiten zusammen an einem Förderprojekt des US-Energie­ministeriums (Department of Energy, DoE), bei dem sich ein Team Elektroingenieure von der UW-Madison mit Hydraulikspezialisten von der Universität Minnesota zusammengetan hat, um zu beweisen, welchen Einfluss die Elektrifizierung auf die nächste Generation Schwermaschinen realistischerweise haben kann.

Insbesondere will das Team die Effizienz eines 20-Tonnen-Baggers verbessern und durch Elektrifizierung die Nachhaltigkeit und Energieeffizienz von geländegängigen Schwerlastfahrzeugen steigern.

„Unsere Aufgabe in diesem Projekt besteht darin, die Hydraulikanlage bestmöglich zu elektrifizieren“, sagt Eric Severson, Assistenz-Professor und stellvertretender Direktor von Wempec an der University of Wisconsin-Madison. „Der Gedanke dabei war, die inhärenten Fähigkeiten der marktüblichen Hydraulik- und Elektrotechnik zu nutzen. Das Problem liegt darin, dass man nicht einfach den PKW-Elektroantrieb eines Toyota Prius oder Tesla in einem Bagger verwenden kann. Elektrische Systeme haben im Vergleich zu hydraulischen Systemen deutlich geringere Anforderungen an die Leistungsdichte. Deshalb kann man sie eigentlich nicht miteinander vergleichen.“

Verbindung zwischen Hochschule und Industrie

Das DoE-Projekt gilt in akademischen Kreisen als vorkommerzielles Projekt, das bedeutet, es ermöglicht viel Platz für Forschung und Entwicklung (F&E), wobei das Energieministerium schon ganz gerne den Weg zur Kommerzialisierung am Ende sehen möchte. „Diese Art von Projekten sind für Wempec besonders interessant“, sagt Severson. „Wir haben ungefähr 80 Unternehmen als Konsortiumsmitglieder, die an dieser Art der Technologieentwicklung interessiert sind. Verschiedene OEMs (Erstausrüster) wie Eaton waren an diesem Projekt beteiligt.“

Konstruktion eines E-Baggers: Das Hydrauliksystem

Um das Hydrauliksystem zu elektrifizieren, entwickelte das Team eine neue Art von Antriebsstrang, eine so genannte Hybrid-Hydraulik-Elektrik-Architektur (HHEA). Als „Elektriker“ bekamen Severson und sein Doktorand (FNU) Nishanth die spannende Aufgabe, eine elektrische Maschine in die Hydraulikpumpe zu integrieren, um damit den Stellantrieb im Antriebsstrang zu hybri­disieren.

Mit zunehmender Zahl der Datenpunkte, die im 2D-Modell von Simcenter Magnet zum Einsatz kommen, ähnelt die Performance, die sich mit den 2D-Modellen erzielen lässt, immer mehr der von 3D-Modellen. Bild: Siemens

„Hydrauliken haben eine hohe Leistungsdichte, sind aber nur schwer effizient zu steuern“, erläutert Severson. „Im Grunde genommen wird bei unserer Konstruktion zwischen verschiedenen Druckhydraulikschienen hin und her geschaltet und ein Elektromotor dafür eingesetzt, diese Hydraulikschienen abwärts und aufwärts zu regeln (Buck & Boost). Mit einem weiteren Elektromotor lässt sich der Druck mit einer Pumpe erhöhen oder mindern und ermöglicht so eine zusätzliche Regelung und Effizienz im System.“

Hydrauliksystem
Die 2D-Projektionen der Pareto-optimalen Fronten aus der letzten Generierungsstufe zeigen einen deutlichen Kompromiss zwischen gravimetrischer Leistungsdichte und Effizienz. Die Optimierungsergebnisse zeigen eine erreichbare Leistungsdichte von über 10 kW/kg. Das höchste erzielte und aufgezeichnete Ergebnis ist 11,2 kW/kg. Bild: Siemens

Hochgesteckte Ziele in puncto Leistungsdichte

Das Team musste hochgesteckte Kon­struktionsziele erreichen. Die Motorleistung lag bei 20 Kilowatt (kW) mit 15.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) aufgrund der Anzahl Druckschienen und der Anforderungen der Stellantriebe. Um auf diese Leistungsdichte und Zahl zu kommen, benötigt man hochperformante, gut konstruierte und hochinnovative Komponenten und Teilkomponenten. „In unserem Projekt war eine Leistungsdichte von über fünf Kilowatt/Kilogramm vorgesehen und eine Effizienz von über 85 Prozent für die integrierte Hydraulikpumpe, den Elektromotor und die Leistungselektronik“, erklärt Severson. „Das bedeutet umgerechnet eine Leistungsdichte von 9,5 Kilowatt/Kilogramm und eine Effizienz von über 93 Prozent für die elektrische Maschine – wir nennen sie das Hydrau­lik-Elektrik-Steuermodul (Hydraulic Electric Control Module, HECM). Das ist eine nur schwer zu erreichende Anforderung.“

Zahlen festklopfen

Heute geht das Projekt in sein drittes Jahr, und wirklich beeindruckende Leistungsdichtezahlen werden gerade an einem Prototyp validiert.

Während das Team in Minnesota mit der Feinabstimmung des Hydrauliksystems beschäftigt war, konzentrierte sich das Team in Wisconsin auf die Frage, wie man eine leistungsdichte, ultra-integrierte elektrische Hydraulikpumpe – kurz HECM – bauen könnte. Die Aufgabe der HECM ist die Feinabstimmung der Leistungsniveaus, so dass die Hauptenergiequelle, die Hydraulikdruckschiene, die Spezifikationen des Fahrzeugs erfüllt.

Hydrauliksystem
Bügellose und segmentierte Ankermaschine. Bild: YASA

11.250 Konstruktionsvarianten überprüft

Nishanth simulierte und optimierte mit der Lösung Simcenter Magnet, die Teil des Xcelerator-Portfolios von Siemens Digital Industries Software ist, Varianten von drei Konstruktionsmöglichkeiten: eine kernlose Maschine, eine bügellose und segmentierte Ankermaschine (YASA) und einen sogenannten Einscheibenmotor. Die Maschinen wurden nach Projektmetrik miteinander verglichen, unter anderem bei Leistungsdichte, Kosten und Effizienz. Insgesamt ergaben sich 11.250 Konstruktionsvarianten, die alle überprüft wurden.

Hydrauliksystem simulieren: 2D oder 3D?

Angesichts einer derartigen Menge an Vari­anten kamen traditionelle Methoden für diese Aufgabe nicht in Frage. Deshalb entschied sich Nishanth dafür, die Aufgabe mit Simcenter Magnet unter Mithilfe der Matlab-Software vollständig zu automatisieren.

„Idealerweise wollten wir in 3D simulieren, entschieden uns dann aber für die 2D-Funktionalitäten von Simcenter Magnet, um die Konstruktionsoptimierung wirklich schnell zu erledigen“, sagt der Wempec-Doktorand Nishanth und ergänzt: „Ein 3D-Modell benötigt für die Bewertung ungefähr einen Tag, aber wir hatten ja über 11.000 Konstruktionen zu validieren. Das war einfach nicht möglich. Mit unserer 2D-Lösung dauerte es hingegen rund eine Minute pro Entwurf.“

Nishanth entwickelte Skripte für die Verknüpfung zwischen der Matlab-Toolbox für die Optimierung mehrerer Ziele und der Simu­lationssoftware Simcenter Magnet. Dafür verwendete er das Scripting-Interface von Simcenter Magnet. Der Optimierungsalgorithmus bestimmte jeweils die zu bewertende Maschinenkonstruktion mit Axial­flussmotor. Diese Konstruktionen wurde nach geometrischen, vom Algorithmus ausgewählten Dimensionen definiert, unter anderem Ständerzahndicke und Magnetdicke. Die spezifisch angepassten Matlab-Skripte nutzten automatisch Simcenter Magnet, um die Maschinenleistung nach den wichtigsten spezifizierten Kriterien zu bewerten: Leistungsdichte, Kosten und Effizienz. Der Optimierungsschritt umfasste 150 Generationen mit einer Population von 75 pro Generation, wobei insgesamt 11.250 Konstruktionen bewertet wurden.

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Die Darstellung zeigt ein 3D-Modell für den 16-poligen, 24-Nut-Einscheiben-(Axialfluss)- Permanentmagnetmotor, der mit Simcenter Magnet modelliert wurde. Bild: Siemens

Ausgezeichneter technischer Support

Nishanth und Severson sind sich schnell einig: die Software war nicht der einzige Grund für ihren Erfolg. Auch der ausgezeichnete technische Support spielte eine große Rolle. „Die Simulationssoftware und das Simcenter-Support-Team haben uns dabei geholfen, die korrekte Maschinenkonstruktion zu finden“, betont Nishanth. „Simcenter Magnet war leicht zu lernen und der Support war wirklich gut.“

Der Zauber liegt in der Optimierung

Laut dem digitalen Zwilling des HECM könnte die finale Konstruktion eine erstaunliche Leistungsdichte von 11,2 kW/kg erreichen. Das Team hatte als Konstruktionsziel eine Leistungsdichte in der Größenordnung von 10 kW/kg festgelegt – ausgehend von den Zahlen, die für elektrifizierte Motoren für Hochleistungsflugzeuge erreicht werden. Dazu Nishanth: „Die richtigen Zahlen haben wir erst erreicht, als wir in die Optimierungsschleifen gingen. Ich habe nur den Motor konstruiert und dabei nach Faustregeln und Erfahrungswerten gearbeitet. Wir kamen einfach nicht auf die Leistungsdichte, die wir wollten. Oder wir konnten die Leistungsdichte erreichen, aber nicht die gewünschte Effizienz. Wir mussten deshalb immer wieder das Für und Wider abwägen.

Der Zauber bei der Optimierung bestand darin, das Beste aus beiden Welten zu finden – und zwar sowohl in puncto Leistungsanforderungen an geländegängige Fahrzeuge mit einer Leistungsdichte von über ­9,5 kW/kg als auch mit einer Maschineneffizienz von über 93 Prozent. Simcenter ­Magnet ermöglichte das. Das Tool ermittelte die richtige Balance zwischen Effizienz und Leistungsdichte aus den 11.250 Möglichkeiten und erstellte einen digitalen Zwilling. Anhand dessen konnte man beweisen, dass der Axialflusspermanentmagnet mit einem Rotor (AFPM) mit so einer schwierigen Aufgabe zurechtkommen würde.

Beweis der Theorie

Doktorand Nishanth betont, dass das HECM eine traditionelle Maschine ist und das Thema Bezahlbarkeit ein wichtiger Punkt im Projekt war. „Man kann höhere Leistungsdichten erreichen, wenn man ausgefallene, teure Materialien einsetzt. Wir haben aber größtenteils konventionelle Materialien verwendet, zum Beispiel Siliziumstahlblechlamellen“, fügt er hinzu.

Im nächsten Schritt wird das Wempec-Team den Motor bauen und die Konstruktionsarbeit validieren. Das Team der Universität Minnesota baut die Pumpe. Zusammen werden beide Teams einen Prototyp bauen und ihn auf dem Hydraulikprüfstand testen, der auch vom Wempec-Konsortium entwickelt wird.

„Bei Projekten des US-Energieministeriums ist es wichtig, dass die ‚Technologie durch Leistungsfähigkeit‘ nachgewiesen wird“, sagt Severson. „Deshalb müssen wir einen Prototyp testen, um unseren digitalen Zwilling zu validieren. Wir wollen auch testen, um zu beweisen, dass unsere Modelle stimmen und wir tatsächlich die Leistungsdichte zehn erreichen. Erst dann können wir weitere Möglichkeiten hochrechnen.“

Hydrauliksystem der Zukunft: Wie geht es weiter?

Auf dem Weg der Technologiekommerzialisierung des HECM wird Wempec untersuchen, welchen übergeordneten Einfluss die hybride Hydraulik-Elektrik-Architektur auf technische Konstruktionen ausüben könnte. „Unser HECM ist wirklich kompakt, aber die Leistungsdichte ist immer noch niedriger als in einem herkömmlichen Hydrauliksystem“, resümiert Severson. „Vielleicht wäre diese Entdeckung sinnvoller als Komponente in einer umfassenderen Architektur einzusetzen. Man denke nur an elektrifizierte Flugzeuge. Ich sehe da auch eine mögliche Rolle bei anderen Formen des elektrifizierten Fliegens.“

Der Autor Chad Ghalamzan ist Marketing Manager bei Siemens Digital Industries Software.

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