antriebstechnikk 3/2016

Auf der Kundenseite entstehen Vorteile aufgrund eines vereinfachten
Ersatzteilmanagements und folglich durch eine gesteigerte
Verfügbarkeit des Antriebssystems.
Die Auswirkungen dieser Freiheitsgrade der Konzeptionsphase
sind nur schwer allgemein zu quantifizieren und werden in der
Praxis von unterschiedlichsten Faktoren abhängen. So werden
beispielsweise bestehende Geschäftsbeziehungen sowie vorhandene
Erfahrungen mit bestimmten Technologien einen Einfluss
auf die Zusammenstellung der MMDS-Komponenten haben. Eine
quantitative Aussage über die Auswirkungen auf die Kostenstruktur
eines Antriebstechnikherstellers lässt sich nur anhand eines
konkreten Anwendungsfalls treffen. Aus diesem Grund soll das
obige Gedankenexperiment ausschließlich die Grundidee dieser
Freiheitsgrade verdeutlichen. Im Folgenden wird der Fokus auf
den Freiheitsgraden der Betriebsphase liegen.
Während der Auslegung eines konventionellen SMDS wird durch
die Berücksichtigung von Überlastfaktoren und Lastannahmen
sichergestellt, dass das Antriebssystem das maximal zu erwartende
Drehmoment oder die maximal zu erwartende Prozessleistung
sicher generieren kann. Zusätzlich wird über Lastkollektive, thermisch-äquivalente
und schädigungsäquivalente Drehmomente abgesichert,
dass weder Getriebe noch Motor über ihre Grenzen hinaus
belastet werden. Wird ein derartig ausgelegtes SMDS eingesetzt, so
kann jeder sich während des leistungsvariablen Arbeitsprozesses
einstellende Arbeitspunkt sicher realisiert werden.
Wird für denselben Arbeitsprozess unter Berücksichtigung derselben
Überlastfaktoren, Lastannahmen und äquivalenten Drehmomente
ein MMDS ausgelegt, so ist ebenfalls sichergestellt, dass jeder
Arbeitspunkt realisiert werden kann. Im Gegensatz zu einem SMDS
muss in diesem Fall jedoch berücksichtigt werden, dass die Antriebsleistung
des MMDS die Summe mindestens zweier Motorleistungen
ist. Aufgrund dieser, aus der Struktur eines MMDS resultierenden
Situation, liegt keine eindeutige Zuordnung mehr zwischen Arbeitsprozess-Arbeitspunkt
und Motor-Arbeitspunkt vor (Bild 04).
Der dargestellte Arbeitsprozess erfordert ein Drehmoment von
50 Nm bei einer Drehzahl von 150 l/min. Aus Sicht des gesamten
MMDS entspricht dieser Arbeitspunkt dem am Getriebe abtriebsseitig
auftretenden Arbeitspunkt. Durch das Getriebe wird dieser
auf den antriebsseitigen Arbeitspunkt mit 5 Nm Drehmoment und
einer Drehzahl von 1 500 1/min transformiert. Für ein SMDS würde
dieser Arbeitspunkt dem Motorarbeitspunkt entsprechen. Das
MMDS besitzt jedoch zwei Motoren, sodass keine eindeutige Zuordnung
zwischen dem Arbeitspunkt und den Motorarbeitspunkten
besteht. Stattdessen liegt eine Lösungsmenge von Motorarbeitspunkten
vor, die alle den Arbeitsprozess sicher erfüllen, solange für
das betrachtete Beispiel die Nebenbedingung
erfüllt ist. Somit liegt für diese Art von Antriebssystemen ein bei
SMDS unbekannter Freiheitsgrad vor, der als Drehmomentverteilung
bezeichnet wird.
Eine weitere Fragestellung ergibt sich, sobald für die Realisierung
des aktuell vorliegenden Arbeitspunktes nicht alle MMDS-
Motoren benötigt werden. Der antriebsseitige Arbeitspunkt kann
sowohl durch die alleinige Verwendung von Motor 1 (T 1
= 8 Nm;
Nenndrehmoment) als auch durch die alleinige Verwendung von
Motor 2 (T 2
= 5 Nm; Nenndrehmoment) realisiert werden. Die
kombinierte Nutzung beider Motoren ist nicht zwingend erforderlich.
Soll nur ein Motor genutzt werden, so kann der jeweils nicht
benötigte Motor elektrisch abgeschaltet werden. Bei Verwendung
von Asynchronmaschinen sind dabei unter der elektrischen Abschaltung
die vollständige Entmagnetisierung des Motors sowie
gegebenenfalls die Deaktivierung des dem Motor zugeordneten
Wechselrichtermoduls zu verstehen. Durch diese Maßnahme können
im Motor entstehende Verluste vermieden und die Auslastung
der noch aktiv am Leistungsfluss beteiligten Komponenten erhöht
werden. Sobald der Leistungs- bzw. der Drehmomentbedarf des
Arbeitsprozesses wieder ansteigt, kann der zuvor abgeschaltete
Motor erneut zugeschaltet werden. Diese Eigenschaft eines MMDS
stellt einen weiteren Freiheitsgrad dar; die sogenannte elektrische
Rekonfigurierbarkeit (Bild 05). Sie erlaubt die zur Verfügung gestellte
Nennleistung dem zeitlichen Verlauf der Arbeitsprozessanforderungen
anzupassen.
Wann immer einer der Motoren eines MMDS elektrisch temporär
abgeschaltet wird, wechselt er von einem treibenden in einen getriebenen
Zustand und stellt in dem Antriebssystem somit eine passive
Massenträgheit dar. Diese Situation kann erwünscht sein, sofern
durch das Mitschleppen der Massenträgheit prozessbedingte Drehmomentstöße
in dem Antriebssystem reduziert werden können
oder der Rotor des Motors als kinetischer Energiespeicher genutzt
werden soll. Die Situation kann allerdings auch unerwünscht sein,
da der Rotor und der gesamte mechanische Antriebsstrang von der
Motorwelle bis zu der Verzahnung mit dem Getriebesammelrad
weiterhin mitlaufen und somit Verluste erzeugen, jedoch nicht zum
Leistungsfluss beitragen. Durch eine geeignete Getriebekonstruktion
oder die Verwendung schaltbarer Maschinenelemente kann in diesem
Fall eine Entkopplung des mechanischen Teils des Antriebsstrangs
von den am Leistungsfluss aktiv beteiligten Komponenten
des Antriebssystems realisiert werden. Diese Eigenschaft eines
MMDS stellt den dritten Freiheitsgrad dar; die sogenannte mechanische
Rekonfigurierbarkeit (Bild 05).
Die während des Betriebs eines MMDS relevanten Freiheitsgrade
n der Drehmomentverteilung
n der elektrischen Rekonfigurierbarkeit und
n der mechanischen Rekonfigurierbarkeit
stellen eine Erweiterung der Nutzungsmöglichkeiten eines
MMDS gegenüber einem SMDS dar. Sie ermöglichen es, das Betriebsverhalten
eines MMDS gezielt einzustellen. Ziel der Forschungsaktivitäten
am KAt ist es, sich hieraus ergebende Anwendungspotentiale
nutzbar zu machen und Anwendungsgrenzen zu
identifizieren. Obwohl MMDS seit langem bekannt sind und vielfach
industriell genutzt werden, werden die beschriebenen Freiheitsgrade
während des Betriebs in der Regel nicht genutzt. Bisherige
Forschungsarbeiten konzentrierten sich vor allem auf die
Synchronisation der Motordrehmomente oder die Gleichlaufregelung
der Motoren [JBM06; Jos14; Odn15]. Es sind nur vereinzelte
Ansätze bekannt, die die beschriebenen Freiheitsgrade einzeln
oder in Kombination nutzen [Ber15; BTS15; TLH14]. Industrielle
Anwendungen, in denen Asynchronmaschinen und eine Kombination
von asymmetrischer Drehmomentverteilung, elektrischer
und mechanischer Rekonfigurierbarkeit zum Einsatz kommen,
sind allgemein nicht bekannt.
Vorteile durch eine gezielte Nutzung der systeminhärenten
Freiheitsgrade
Durch eine gezielte Nutzung der inhärenten Freiheitsgrade bieten
MMDS einen großen Spielraum, um das Betriebsverhalten optimal an
die Anforderungen des Anwenders anzupassen. Das Optimum wird
dabei durch die Einhaltung eines Optimalitätskriteriums bestimmt,
dass durch den Anwender selbst definiert werden muss. Beispielsweise
bieten MMDS die Möglichkeit, einzelne Antriebsstränge – von dem
Einspeise-Gleichrichtermodul bis zu der Verzahnung des Getriebesammelrads
– gezielt auszulasten und somit die Lebensdauer des Antriebssystems
positiv zu beeinflussen. Eine andere Möglichkeit besteht
in der Abbildung kalter, warmer oder heißer Redundanzen und der
damit verbundenen Steigerung der Ausfallsicherheit.
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