Effizienzsteigerung durch Einsatz von Mehrmotorenantriebssystemen (MMDS)

Ein Ansatz zur Steigerung der Energieeffizienz von Antriebssystemen ist der Einsatz eines MMDS, welches aus einem Antriebsverbund von zwei oder mehr Motoren und je nach Anwendung einem Getriebe besteht, die gemeinsam eine Antriebsaufgabe lösen. Auf einander abgestimmte, hoch effiziente Systemkomponenten, eine bedarfsgerechte Regelung und eine prozessorientierte Optimierung sind dabei von hoher Bedeutung.

Die mechanische Struktur eines MMDS kann aufgrund unterschiedlicher Anwendungsgebiete stark variieren, so dass sich je nach Motorenanzahl, Leistungsklasse und der mechanischen Kopplungseinheit unterschiedliche mechanische Strukturen ergeben. Bei vielen Anwendungen wird darüber hinaus eine Getriebestufe zur Anpassung der Drehzahl bzw. des Drehmoments des Motors an die Anwendung benötigt. Um ein zusätzliches Getriebe zu vermeiden, kann die Übersetzung direkt in die mechanische Kopplungseinheit integriert werden. Zur Steigerung des Leistungsfaktors der Antriebe in einem MMDS kann der zusätzliche Freiheitsgrad der Motorenabschaltung genutzt werden, sofern es der Prozess zulässt.

Bei mechanisch gekoppelten Antrieben im Mehrmotorenverbund wird ein treibender Antriebsstrang zum Zeitpunkt des Motorabschaltens zum getriebenen Antriebsstrang, was zur Folge hat, dass die anliegende Zahnflanke eines Ritzels in der Kopplungseinheit wechselt. Die Folge dieses Zahnflankenwechsels ist die Anregung einer Torsionsschwingung, welche unter Umständen zu einer Reduktion der Ritzellebensdauer führen kann. Anstatt die Verkürzung der Lebensdauer durch diese Schwingungen mit einer größeren Dimensionierung zu kompensieren ist Ziel dieses Forschungsvorhabens, die kritischen Schwingungen möglichst zu verhindern oder gegebenenfalls zu dämpfen. Hierzu werden unterschiedliche mechanische Strukturen und Elemente, wie Kupplungen und Freiläufe in die Kopplungseinheit integriert und auf ihre Eignung untersucht.
Des Weiteren wird die Möglichkeit erforscht, den Wirkungsgrad des Gesamtsystems durch eine innovative Getriebegestaltung zu erhöhen. Hierbei liegt der Fokus auf der Reduktion von Reibverlusten an Dicht- und Lagerstellen sowie auf der Reduktion von Massenträgheiten im Betrieb des MMDS. Ein weiterer Fokus der Systemgestaltung liegt auf einer kompakten Bauweise, um gegenüber konventionellen Getrieben einen Bauraumvorteil zu erlangen.

Je nach Aufbau und Struktur besitzt ein technisches System unterschiedliche Freiheitsgrade, deren Veränderung eine Beeinflussung des Systemverhaltens während des Betriebs bedingt. Die Auswirkungen auf das Systemverhalten können an der Veränderung des Erfüllungsgrades der dem System zugeteilten Gesamtaufgabe bewertet werden. Eine Betriebsstrategie ist in diesem Projekt definiert als eine gezielte Nutzung der Systemfreiheitsgrade, die zu einer gewünschten positiven Veränderung des Erfüllungsgrades der Gesamtsystemaufgabe führt. Sofern eine Aufteilung der Gesamtaufgabe in Teilaufgaben möglich ist, ist eine Verschlechterung einzelner Erfüllungsgrade der Teilfunktionen zulässig, wenn sich der Erfüllungsgrad der Gesamtaufgabe verbessert.
Zum Entwurf der Betriebsstrategien werden heuristische Methoden sowie klassische Methoden der Einziel- und Mehrzieloptimierung eingesetzt. Die heuristischen Verfahren nutzen zuvor gewonnenes Erfahrungswissen, um qualitativ eine positive Beeinflussung des gewünschten Systemverhaltens zu erzeugen. Klassische Optimierungsverfahren minimieren die Abweichung von den gewünschten Systemzielen quantitativ durch zuvor definierte Zielfunktionen. Die betrachteten Ziele können sowohl über die Betriebsdauer konstante Werte oder Funktionen sein, als auch mit der Betriebsdauer und dem Systemumfeld veränderliche Funktionen. Auf diese Weise ist eine Anpassung des Systemverhaltens beziehungsweise eine Anpassung der Systemziele an veränderliche Situationen möglich.
Innerhalb der Betriebsstrategien ist es möglich heuristische Methoden und klassische Optimierungsmethoden im Sinne der Selbstoptimierung miteinander zu kombinieren, wobei das System selbst entscheidet, ob nur eine oder beide Optimierungsmetoden parallel zur Betriebslaufzeit verfolgt werden.

Anwendungsbeispiel

Zur Untersuchung der Betriebsstrategien und der mechanischen Struktur der Antriebssysteme existiert ein Prüfstand, mit dem das Verhalten der realen Vorbilder zu Forschungszwecken abgebildet werden kann.

Antriebssystem für einen Kautschukinnenmischer

Weitere Anwendungsszenarien

In Zukunft sollen die Vorteile von MMDS in Kombination von intelligenten Betriebsstrategien und einer innovativen mechanischen Struktur auf weitere Anwendungen übertragen werden. Potentielle Anwendungen sind:

• Windkraftanlagen
• Betonmühlen, Walz- und Brechwerke
• Rührwerke
• Konventionell angetriebene Schienenfahrzeuge
• Hochgeschwindigkeitsbahnen