Institutsbericht | Institute Report

Antriebssysteme undInstitut für

Leistungselektronik

Institutsbericht | Institute Report

2019 / 2020

Impressum | ImprintHerausgeber: | Publisher: Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik (IAL)

Geschäftsführung: | Management: Prof. Dr.-Ing. Axel Mertens, Prof. Dr.-Ing. Bernd Ponick

Redaktion: | Editor: IAL (Elfi Jeschina, Beate Pieschel, Johannes Wenzel)

Übersetzung: | Translation: Petra Duensing

Fotos: | Photos: IAL, Foto-Genz, Julian Martitz

© Alle Rechte sind vorbehalten. Insbesondere ist die Übernahme in maschinenlesbare Form sowie das Speichern inInformationssystemen (auch auszugsweise) nur mit schriftlicher Genehmigung des IAL gestattet.© All rights reserved. In particular transfer of data into machine readable form as well as storage into information systems(even extracts) is only permitted with prior written consent by IAL.

Institutsbericht 2019 / 2020

Antriebsregelung

Elektrische Antriebssysteme

Elektrische Maschinen

Leistungselektronik

Institute Report 2019 / 2020

Drive Control

Drive Systems

Electrical Machines

Power Electronics

Inhaltsverzeichnis | Table of Contents

Inhaltsverzeichnis | Table of ContentsVorwort | Preface 6

Forschung am IAL: Projektberichte | Research at IAL: Project Reports 8Quasi-Zwei-Level- & Quasi-Drei-Level-Betrieb für Modulare-Multilevel-UmrichterQuasi-Two-Level and Quasi-Three-Level Operation Mode for Modular Multilevel Converters . . . 8

SPP 1984 - Zuverlässiger Betrieb von umrichterdominierten EnergiesystemenSPP 1984 - Reliable Operation of Converter-Dominated Energy Systems . . . . . . . . . . . . 10

Sensorik für die Zustandsüberwachung von Leistungselektronik für ElektrofahrzeugeSensors for the Condition Monitoring of Power Electronics in Electric Vehicles . . . . . . . . . . 12

Positionsgeberlose Regelung permanentmagneterregter SynchronmaschinenSelf-Sensing Control of Permanent Magnet Synchronous Machines . . . . . . . . . . . . . . . 14

Verbesserte Verlustberechnung in GroßgeneratorenImproved Loss Calculation in Large Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Elektrische Antriebssysteme für Flugwindkraftanlagen (SkyPower100)Electrical Powertrains for Airborne Wind Energy Plants (SkyPower100) . . . . . . . . . . . . . . 18

Additive Fertigung von ElektromotorenAdditive Manufacturing of Electric Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Charakterisierung von elektrischen Maschinen mit magnetischen ErsatznetzwerkenCharacterization of Electrical Machines with Magnetic Equivalent Circuits . . . . . . . . . . . . 22

Akustik und SchwingungenAcoustics and Vibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

SE2A - Sustainable and Energy-Efficient AviationSE2A - Sustainable and Energy-Efficient Aviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Fahrmotoren mit Haarnadelwicklung in Stern- oder DreieckschaltungTraction motors with hairpin winding in star or delta connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

HF-Effekte in elektrischen AntriebssystemenHF Effects in Electrical Drive Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Besondere Aktivitäten | Special Activities 45Neues in und von FEMAGNovelties around FEMAG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Lehre am IAL | Teaching at IAL 47LehrveranstaltungenLectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Grundlagen der elektromagnetischen EnergiewandlungBasics of Electromagnetical Power Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Elektrische AntriebeElectric Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Berechnung elektrischer MaschinenTheory of Electrical Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Elektrische Klein-, Servo- und FahrzeugantriebeSmall Electrical Motors, Servo and Vehicle Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Elektronisch betriebene KleinmaschinenSmall Electronically Controlled Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Elektrische Maschinen für eAutomotive-TraktionsanwendungenElectrical Machines for eAutomotive Traction Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Elektrische AntriebssystemeElectrical Drive Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Ethische Aspekte des IngenieurberufsEthical Aspects of the Engineering Profession . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Leistungselektronik IPower Electronics I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Leistungselektronik IIPower Electronics II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58


Einführung in das deutsche und europäische EnergierechtIntroduction into German and European Energy Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Leistungshalbleiter und AnsteuerungenPower Semiconductors and Gate Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Regelung elektrischer DrehfeldmaschinenControl of Electrical Three-phase Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Elektrische Bahnen und FahrzeugantriebeElectrical Traction and Vehicle Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Passive Komponenten der LeistungselektronikPassive Components in Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

LeistungselektronikPower Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

WasserkraftgeneratorenHydrogenerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Elektrische Maschinen und AntriebeElectrical Maschines and Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Studentische Arbeiten 2019/20Students’ Theses 2019/20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Dissertationen 2019/20 | Dissertations 2019/20 80Verbesserte Berechnung von Magnetfeldern und Ummagnetisierungsverlusten in elektrischenMaschinenImproved Calculation of Magnetic Fields and Iron Losses in Electrical Machines . . . . . . . . . 80

Modellierung und Regelung von fünfphasigen Synchronmaschinen unter Berücksichtigung vonSättigungseffekten und MehrfachanisotropienModeling and Control of Five-phase Synchronous Motors under Consideration of Saturation Ef-fects and Anisotropies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Berechnung des Einflusses von Dämpferwicklung und massivem Läuferballen auf den Stoßkurz-schluss von TurbogeneratorenStator, Field and Damper Windings of Large Synchronous Generators in the Event of a Suddenshort-circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Parametrisierung von thermischen Modellen für permanentmagneterregte Sycnhronmaschinenmittels experimenteller IdentifikationsmethodenParameterization of transient thermal models for permanent magnet synchronous machines usingexperimental identification methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Frequency-Domain Modeling of Harmonic Interactions in Pulse-Width Modulated Voltage-SourceInverter DrivesFrequency-Domain Modeling of Harmonic Interactions in Pulse-Width Modulated Voltage-SourceInverter Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Baukastensysteme für den Antriebsstrang von ElektrofahrzeugenImproved Calculation of Magnetic Fields and Iron Losses in Electrical Machines . . . . . . . . . 89

Beiträge zu fehlertoleranten Fahrzeugantrieben mit Radnabenmotoren ohne ReibungsbremseContributions to Fault-tolerant Vehicle Drives with Wheel Hub Motors without Friction Brake . . . 91

Quasi-Two-Level PWM Operation for Modular Multilevel Converters: Implementation, Analysis,and Application to Medium-Voltage Motor DrivesQuasi-Two-Level PWM Operation for Modular Multilevel Converters: Implementation, Analysis,and Application to Medium-Voltage Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Fehlererkennung in Antriebssystemen mit permanentmagneterregten SynchronmaschinenFault Detection in Drive Systems with Permanent Magnet Synchronous Machines . . . . . . . . 95

Über System- und Regelungsdynamiken von Windenergieanlagen und deren Einfluss auf die Um-richterlebensdauerAbout System and Control Dynamics of Wind Turbines and their Impact on the Converters’ Lifetime 97

Elektrisch erregte Synchronmaschinen für unterschiedliche Antriebskonzepte in Elektrofahrzeu-genElectrically Excited Synchronous Machines for Different Drivetrain Topologies in Electrical Vehicles 99

Wicklungskopflose Turbogeneratoren mit MehrphasentransformatorenTurbogenerator Concept without Winding Overhang Using a Multiphase Transformer . . . . . . 101

Untersuchungen zu Ausgangsfiltern in Siliziumcarbid-AntriebswechselrichternUntersuchungen zu Ausgangsfiltern in Siliziumcarbid-Antriebswechselrichtern . . . . . . . . . . 103


Das Institut | The Institute 105Mitarbeitende des IALIAL Staff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Chronik 2019/20Chronicle 2019/20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

Veröffentlichungen 2019/20Publications 2019/20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Auszeichnungen 2019/20Awards 2019/20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Vorwort | Preface

Vorwort | Preface

Liebe Freunde und Interessierte,liebe Ehemalige und Angehörige des IAL,

wer in diesen Tagen durch die Flure und Hallendes IAL streift, traut seinen Augen kaum: Gähnen-de Leere; man trifft kaum jemanden in den Laborenan. Statt notorisch überfüllter Gänge zur Kaffeepau-se nur zwei oder drei Mitarbeitende, die sich überdie Entfernung hinweg einige Worte zurufen. . . Soblicken wir mit dem vorliegenden Bericht auf einenZeitraum zurück, in dem sich das gewohnte leben-dige Miteinander im IAL nicht entfalten durfte. Hat-te sich das erste Jahr noch ganz im Rahmen derErwartungen bewegt, so war das zweite Jahr starkdurch die Corona-Pandemie geprägt, und die damitverbundenen Einschränkungen sind gerade am IALsehr deutlich sichtbar geworden – was sich auch inder Chronik am Ende dieser Broschüre deutlich wi-derspiegelt. Nichtsdestotrotz hat sich das IAL auchin den Jahren 2019 und 2020 positiv weiterentwi-ckelt. Die beiden Juniorprofessoren Amir Ebrahimiund Jens Friebe haben kräftig in die Speichen ge-griffen und nicht nur neue interessante Projekte ansIAL geholt und die entsprechenden Mitarbeiter ein-gestellt, sondern auch in Zeiten von Home Officeund Web Meetings das Miteinander am IAL sehr po-sitiv mitgeprägt. Beide sind inzwischen erfolgreichevaluiert worden und haben offiziell die zweite Hälf-te ihrer maximal 6 Jahre am IAL begonnen. Mit die-ser starken Aufstellung konnten wir die Zahl der wis-senschaftlichen Mitarbeiter noch etwas erhöhen undhaben inzwischen die Marke von 50 überschritten.Unsere bisherigen Räumlichkeiten reichen für dieseMitarbeiterzahl allerdings kaum oder nur ,dank‘ derHome-Office-Regelungen aus. Umso erfreulicher istes, dass nun – konkret im April 2021 – endlich dieseit Jahren avisierte Erweiterung des IAL auf dengesamten Gebäudetrakt, d. h. um das halbe ers-te und das gesamte zweite Obergeschoss, begin-nen wird. Dies erfordert auch erhebliche Umbau-arbeiten, z. B. wegen eines erforderlichen Flucht-wegs (Feuertreppe in den Welfengarten) und derErneuerung des Fahrstuhls. Daher werden wir dasIAL für einige Monate fast vollständig räumen müs-sen. Home Office wird uns also auch ohne Coronanoch für einen Gutteil des Jahres 2021 begleiten.Wir freuen uns aber schon jetzt, nach Abschlussder Umbauarbeiten endlich moderne und der Mit-arbeiterzahl entsprechende Büro-, Besprechungs-,Aufenthalts- und Seminarräume zur Verfügung zuhaben. So blicken wir nach vorn und hoffen, dassunabhängig von der IAL-Erweiterung zumindest inder zweiten Jahreshälfte 2021 das Miteinander wie-der etwas normaler verlaufen kann als im vergan-genen Jahr. Da wir immer über zwei Jahre berich-

Dear alumni, colleagues, partners and friends ofthe IAL,

If you wander through the corridors and halls of theIAL these days, you can hardly believe your eyes:yawning emptiness; almost no one is around in thelaboratories. Instead of notoriously overcrowdedcorridors for the coffee break, there are only two orthree employees who exchange a few words overthe distance. With this report, we take a look back ata period during which the typical lively cooperationat the IAL could not develop. While 2019 was still inline with expectations, 2020 was strongly influencedby the Corona pandemic, and the associated restric-tions have become clearly visible, especially at theIAL – which is also mirrored in the chronicle at theend of this brochure. Nevertheless, the IAL has con-tinued to make positive progress in 2019 and 2020.The two junior professors, Amir Ebrahimi and JensFriebe, not only brought new interesting projects tothe IAL and hired the corresponding staff, but alsohad a very positive impact on the cooperation at theIAL in times of home office and web meetings. Bothhave now been successfully evaluated and have of-ficially begun the second half of their maximum 6years at the IAL. Based on this strong position, wehave been able to increase the number of academicstaff even further and have now exceeded the 50mark. However, our current premises are barely suf-ficient for this number of employees, or only thanksto home office arrangements. It is therefore all themore pleasing that now - specifically in April 2021 -the long-awaited extension of the IAL to the entirewing of the building, i. e. half of the first floor andthe entire second floor, will finally begin. This alsorequires considerable reconstruction work, e. g. be-cause of a necessary escape route (fire escape tothe Welfengarten) and the renewal of the lift. There-fore, we will have to almost completely vacate theIAL for a few months. So even without Corona,home office will still be with us for a good part of2021. However, we are already looking forward to fi-nally having modern office, meeting, recreation andseminar rooms that are fitting the number of employ-ees once the renovation work is completed. So welook ahead and hope that, irrespective of the IALextension, at least in the second half of 2021 our co-operation will be a little more normal again than inthe past year. As we always report on two years, wewould like to mention the big event that we will or-ganise in 2022: We have brought one of the world’slargest specialist conferences on power electronicsand its applications, the EPE-ECCE Europe, to Han-nover. There is a lot to prepare and organise, whichwe are fortunately doing in close cooperation with

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Vorwort | Preface

ten, sei auch das große Ereignis schon angespro-chen, das uns im Jahr 2022 ins Haus steht: Wir ha-ben eine der weltgrößten Fachtagungen zur Leis-tungselektronik und ihren Anwendungen, die EPE-ECCE Europe, für 2022 nach Hannover geholt. Da-für gibt es sehr viel vorzubereiten und zu organisie-ren, was wir glücklicherweise im Schulterschluss mitder EPE Association, mit Kenzler Conference Mana-gement aus Hannover und mit den Fachkolleginnenund -kollegen aus Norddeutschland tun, die uns im„Local Organising Committee“ unterstützen. Dafürwerden wir dann vom 5. bis zum 9. September 2022ca. 1000 Teilnehmer aus aller Welt im HCC und inder Leibniz Universität begrüßen dürfen. Wir hoffendabei auch auf Ihre Unterstützung, sei es durch ei-ne organisatorische Mitwirkung, durch Fachbeiträ-ge, durch eine Beteiligung an der Ausstellung odersogar durch ein PR-wirksames Sponsoring der Ta-gung. Über die Entwicklungen und Fortschritte desIAL in Forschung und Lehre sowie zu Veränderun-gen in der Mitarbeiterschaft über die vergangenenzwei Jahre hinweg können Sie sich auf den folgen-den Seiten informieren. Wir wünschen Ihnen eine in-teressante Lektüre und alles Gute für die kommendeZeit!

Hannover, im Dezember 2020

the EPE Association, with Kenzler Conference Man-agement from Hanover and with our colleagues fromNorthern Germany who support us in the "Local Or-ganising Committee". In return, we will be able towelcome around 1000 participants from all over theworld to the HCC and Leibniz Universität from 5 to9 September 2022. We also hope for your sup-port, be it through organisational participation, ex-pert contributions, participation in the exhibition oreven through PR-effective sponsoring of the confer-ence. On the following pages, you can learn aboutthe developments and progress of the IAL in re-search and teaching as well as about changes inthe staff over the past two years. We hope you en-joy reading and wish you all the best for the time tocome!

Hannover, December 2020

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Forschung am IAL: Projektberichte | Research at IAL: Project Reports

Forschung am IAL: ProjektberichteResearch at IAL: Project Reports

Quasi-Zwei-Level- &Quasi-Drei-Level-Betrieb fürModulare-Multilevel-Umrichter

von Malte Lorenz, M.Sc.

In den vergangenen Jahren konnte der Quasi-Zwei-Level-Betrieb für modulare Multilevel-Umrichter(MMC) (siehe Abb. 1) als attraktives Konzept fürdrehzahlvariable Mittelspannungsantriebe identifi-ziert werden. Der größte Vorteil ist, dass die Mo-dulkondensatoren im Vergleich zu den herkömm-lichen Betriebsmodi stark reduziert werden kön-nen, was zu einer deutlichen Senkung des Bauvo-lumens und der Kosten des Umrichters führt. Diepositiven Eigenschaften von MMCs, wie die ein-fache Spannungsskalierbarkeit und niedrige Aus-gangsspannungssteilheit, bleiben dabei erhalten.Im Rahmen einer Dissertation am IAL [1] wurdeder Quasi-Zwei-Level-Betrieb optimiert und unter-schiedliche Modulations- sowie Regelungsverfahrenuntersucht, welche an einem Prüfstand experimen-tell validiert wurden (siehe Abb. 2). Die Vorteilein der Dimensionierung des Umrichters gegenüberden herkömmlichen Betriebsmodi wurden für unter-schiedliche Lastkennlinien herausgearbeitet. Wei-terhin wurde für den Betriebsmodus ein verbesser-tes Drosseldesign entwickelt.

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Abb. 1: Einphasiges Ersatzschaltbild eines MMCsFig. 1: Single-phase equivalent circuit diagram of anMMC

Der größte Nachteil des Betriebsmodus liegt inden erhöhten Oberschwingungen der Ausgangs-spannung, die etwa denen eines Zweipunkt-

Quasi-Two-Level andQuasi-Three-Level OperationMode for Modular MultilevelConverters

by Malte Lorenz, M.Sc.

In recent years, the quasi-two-level operation formodular multilevel converters (MMC) (see Fig. 1)has proven to be an attractive concept for variable-speed medium-voltage drives. The biggest advan-tage is that the module capacitors can be greatly re-duced compared to conventional operation modes,which leads to a significant reduction of the con-verters’ volume and cost. Positive characteristics ofMMCs, such as voltage scalability and low outputvoltage slope, are preserved.Within the scope of a PhD thesis [1] at the IAL, thequasi-two-level operation mode was optimized anddifferent modulation and control methods were in-vestigated and experimentally validated on a testbench (see Fig. 2). The advantages of the converterdesign compared to conventional operation modeswere worked out for different load curves. Moreover,an improved inductor design was developed for theoperation mode.

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Abb. 2: Experimentelle Verifizierung am PrüfstandFig. 2: Experimental verification on the test bench

The main disadvantage of the operation mode is thatthe output voltage harmonics are similar to those ofa conventional two-level inverter.In order to improve the harmonic behaviour, basedon the quasi-two-level operation, the quasi-three-level operation mode has been presented for an ex-

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Wechselrichters entsprechen.Um das Oberschwingungsverhalten zu verbessern,wurde kürzlich, basierend auf dem Quasi-Zwei-Level-Betrieb, der Quasi-Drei-Level-Betrieb für ei-ne erweiterte MMC-Topologie vorgeschlagen, wo-bei ein zusätzlicher Pfad aus weiteren Vollbrücken-modulen notwendig ist (siehe Abb.3). Dazu wurdeeine spezielle Regelung am IAL entworfen. Durchdie Regelung aller Zweigströme konnten die Ein-gangskondensatoren und die Modulkondensatorensowie die Spitzenwerte der Zweigströme weiter re-duziert werden [2]. Durch eine erweiterte Vorsteue-rung ist es ebenfalls möglich, den zusätzlichen Pfadaus Vollbrückenmodulen durch einen bidirektionalenSchalter zu ersetzen (siehe Abb.4). Dabei ermög-licht das Regelungsverfahren Soft-Switching des bi-direktionalen Schalters. Diese reduzierte Topologieverspricht somit gesenkte Kosten und gesteigerteEffizienz im Vergleich zur Topologie mit Vollbrücken-modulen. Die Topologie und das Regelungsverfah-ren befinden sich zurzeit in der Patentanmeldung.Derzeit wird der Prüfstand erweitert, an dem zukünf-tig der Quasi-Drei-Level-Betrieb auf den nächstenTechnologie-Reifegrad angehoben werden soll.

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Input

Abb. 3: Drei-Level-MMC-Topologie mit zusätzlichemVollbrückenzweig (Branch C)Fig. 3: Three-level MMC topology with an additionalbranch containing full-bridge modules (branch C)

[1] J. Kucka. “Quasi-two-level PWM operationfor modular multilevel converters: implemen-tation, analysis, and application to medium-voltage drives”. Diss. Leibniz University Han-nover, 2019, S. 1–226.

[2] M. Lorenz, J. Kucka und A. Mertens. “Acti-ve Current and Energy Control for the Quasi-Three-Level Operation Mode of an Exten-ded Modular Multilevel Converter Topology”.In: European Conference on Power Electro-nics and Applications (EPE’20 ECCE Euro-pe). accepted for publication, 2020.

tended MMC topology, which introduces an addi-tional current path, stacked with full-bridge modules(see Fig.3). For this topology, a special control hasbeen developed at the IAL. By controlling all branchcurrents, a further reduction of the input capacitorsand module capacitors as well as the peak branchcurrents is feasible [2]. With an extended feedfor-ward control, it is also possible to replace the full-bridge modules in the additional current path by asingle bidirectional switch (see Fig.4). Furthermore,the control method allows soft switching of the bidi-rectional switch. This reduced topology promiseslower costs and increased efficiency compared tothe topology with full-bridge modules. The topologyand the control method are currently in a patent ap-plication process. The test bench is currently ex-panded to lift the quasi-three-level operation modeto the next technology readiness level.

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Branch

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Clampingswitch

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Input

Abb. 4: Drei-Level-MMC-Topologie mit einem bidirektionalenSchalter (Clamping Switch)Fig. 4: Three-level MMC topology with one bidirectionalswitch (clamping switch)

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Abb. 5: Quasi-Drei-Level-Betrieb der reduzierten TopologieFig. 5: Quasi-three-level operation mode of the reducedtopology

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SPP 1984 - Zuverlässiger Betriebvon umrichterdominiertenEnergiesystemen

von Robin Strunk, M.Sc.und Marc Dokus, M.Sc.

Das Stromnetz der Zukunft wird durch dezentra-le Energieerzeugungsanlagen geprägt, die überleistungselektronische Umrichter angebunden sind.Gleichzeitig eröffnet die fortschreitende Digitalisie-rung neue Möglichkeiten der automatisierten Kom-munikation und des Datenaustauschs. Gemeinsammit den Partnerinstituten IfES und OFFIS werden indiesem Projekt des DFG-geförderten Schwerpunkt-programms 1984 neue Strategien zum Betrieb die-ser zukünftigen Energiesysteme entwickelt.Wenn zunehmend konventionelle Kraftwerke mitSynchrongeneratoren abgeschaltet werden, müs-sen stattdessen Umrichter das Netz stabilisieren.Dies erfordert neue Regelungskonzepte für Umrich-ter, die das Verhalten einer Synchronmaschine emu-lieren oder auf andere Art und Weise die Netzspan-nung und -frequenz stützen. Die Stabilitätseigen-schaften dieser Umrichterregelungen müssen unter-sucht werden, um durch Wahl der Regelungspara-meter verhindern zu können, dass Resonanzen imNetz angeregt werden.

Iconv

PCC

UgridZconv Upcc

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Abb. 6: Vereinfachtes Schaltbild mit einem Umrichter alsErsatzstromquelle und dem Netz alsErsatzspannungsquelle.Fig. 6: Simplified circuit diagram with a converter asequivalent current source and the grid as equivalentvoltage source.

Eine Methode zur Stabilitätsanalyse beruht auf demVergleich der Ausgangsimpedanz eines Umrich-ters mit der Netzimpedanz. Das elektrische Ver-halten von Umrichter und Netz wird um einen Be-triebspunkt linearisiert, sodass sie jeweils als Er-satzstromquelle (Norton-Äquivalent) oder Ersatz-spannungsquelle (Thévenin-Äquivalent) beschrie-ben werden können, die am Anschlusspunkt (PCC)verbunden sind. Dies ist in Abb. 6 dargestellt. DieUmrichterimpedanz wird neben den verbauten Fil-terschaltungen maßgeblich durch die Regelung be-einflusst, während die Netzimpedanz durch Leitun-gen und andere Betriebsmittel bestimmt wird.Es wurden Impedanzmodelle der gängigsten Um-richterregelungen zur Netzstützung entwickelt.Abb. 7 zeigt beispielhaft ein Bode-Diagramm zumVergleich von drei unterschiedlichen Regelungen[3]. Während sich für niedrige und hohe Frequenzen

SPP 1984 - Reliable Operation ofConverter-Dominated EnergySystems

by Robin Strunk, M.Sc.,and Marc Dokus, M.Sc.

The electricity grid of the future will be shaped bydistributed energy resources that are connected bypower electronic converters. Beyond that, the ad-vancing digitalisation offers new possibilities for au-tomated communication and data exchange. Newstrategies for the operation of these future energysystems are developed within this project of theDFG-funded Priority Programme 1984 together withthe partner institutes IfES and OFFIS.If more and more conventional power stations withsynchronous generators are shut down, converterswill have to stabilise the grid instead. This requiresnew control concepts for converters that emulate thebehaviour of a synchronous machine or support thegrid voltage and frequency in a different way. Thestability characteristics of these converter controlshave to be investigated to prevent the excitation ofresonances in the grid by selecting appropriate con-trol parameters.One method for stability analysis is based on thecomparison of the output impedance of a converterwith the grid impedance. The electrical behaviour ofthe converter and the grid is linearised for one op-eration point, so that they can each be describedas an equivalent current source (Norton equivalent)or equivalent voltage source (Thévenin equivalent)connected at the point of common coupling (PCC).That is depicted in Fig. 6. In addition to the filtercircuits installed, the converter impedance is signif-icantly influenced by the control system, while thegrid impedance is determined by power lines andother equipment.Impedance models of the most common grid-forming converter controls were developed. Fig. 7exemplarily shows a Bode plot in order to comparethree different controls [3]. While the behaviour issimilar for low and high frequencies, significant dif-ferences in magnitude and phase of the impedancescan be observed around the fundamental grid fre-quency. The analytic models were validated by sim-ulations and tests in a laboratory grid.Apart from stability analysis, the grid impedance atthe fundamental frequency is also important for thecontrol design of a converter. It influences the innercurrent control as well as the droop characteristicsfor frequency and voltage control in the grid. Addi-tionally, changes in the grid impedance can indicatea grid operating in islanding mode. Therefore, thesecond focus is to measure the grid impedance us-ing converters. In this context, a method was devel-

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()

Frequency (Hz)

Abb. 7: Bode-Diagramm zum Vergleich der berechnetenAusgangsimpedanz eines Umrichters mit dreiverschiedenen Regelungskonzepten zurNetzunterstützung inklusive Messergebnissen.Fig. 7: Bode plot for comparing the calculated outputimpedance of a grid-forming converter with three differentcontrol concepts including measurement results [3].

das gleiche Verhalten zeigt, gibt es im Bereich umdie Netzfrequenz große Unterschiede in Betrag undPhase der Impedanzen. Die analytischen Modellewurden durch Simulationen und Versuche in einemLabornetz validiert.Abgesehen von der Stabilitätsanalyse ist die Netz-impedanz, besonders bei der Grundfrequenz, imReglerdesign eines Umrichters relevant. Sowohldie innere Stromregelung als auch Statiken zurFrequenz- und Spannungsregelung im Netz werdendurch diesen Wert beeinflusst. Zusätzlich könnenÄnderungen der Netzimpedanz zur Erkennung ei-nes Inselnetzzustands genutzt werden. Aus diesemGrund liegt ein zweiter Schwerpunkt des Projektsauf der Messung der Netzimpedanz durch Umrich-ter. In diesem Zusammenhang wurde eine Methodeentwickelt und experimentell untersucht, bei der einniederfrequentes harmonisches Spannungssignal indas Netz injiziert wird. Durch Messung der Strömeund Spannungen am PCC vor und während der Ein-speisung kann die Impedanz bestimmt werden. Eindigitales Filter extrahiert dafür die entsprechendeFrequenzkomponente aus den Messwerten.Das Verfahren wurde dahingehend optimiert, dieStörung des Netzes gering zu halten. Ein Algo-rithmus löst eine erneute Messung nur dann aus,wenn ein aktueller Messwert benötigt wird. Zusätz-lich wurde im Labor die Messgenauigkeit in Ab-hängigkeit der Amplitude des injizierten Signalsund der Abtastfrequenz untersucht. Das Ergebnisfür den induktiven Anteil der Netzimpedanz ist füreinen Testfall in Abb. 8 dargestellt. Daraus lässtsich ableiten, dass Abtastfrequenzen im Bereich von10 kHz, wie sie bei modernen Umrichtern im unterenund mittleren Leistungsbereich bereits üblich sind,und Spannungsamplituden von wenigen Volt ausrei-chend sind [4].

0.512

4

100

101

102

103

0

20

40

Vinj in Vfsamp in kHz

Err

orin

%

0

20

40

Abb. 8: Standardabweichung der gemessenenNetzinduktivität in % (Referenz 0,45 mH) in Abhängigkeitvon der Abtastfrequenz und der Amplitude der injiziertenSpannung.Fig. 8: Error of the measured grid inductance in %(reference 0.45 mH) dependent on the samplingfrequency and the amplitude of the injected voltage [4].

oped and investigated experimentally that injects alow-frequency harmonic voltage signal in the grid.The impedance can then be determined by mea-suring the currents and voltages at the PCC beforeand during the injection. A digital filter extracts thefrequency component of interest from the measure-ment values.The method was optimised to keep the distortion ofthe grid as low as possible. An algorithm starts anew measurement only if a new value is required.Additionally, the measurement accuracy was de-termined in the laboratory in dependence of theamplitude of the injected signal and the samplingrate. The result for the inductive part of the gridimpedance is depicted in Fig. 8 for one test case.It can be concluded that sampling rates in the rangeof 10 kHz are sufficient. These rates are alreadystate of the art for converters in the low and mediumpower range. Furthermore, a few volts are sufficientas the amplitude of the injected signal.

[3] M. Dokus and A. Mertens. “SequenceImpedance-based Stability Analysis of ACMicrogrids Controlled by Virtual SynchronousGenerator Control Methods”. In: 2020 21stIFAC World Congress on Automatic Control.2020.

[4] N. Himker, R. Strunk, and A. Mertens. “GridImpedance Estimation with Oversamplingfor Grid Connected Converters”. In: EPE’20ECCE Europe. 2020.

11


Sensorik für dieZustandsüberwachung vonLeistungselektronik fürElektrofahrzeuge

von Daniel Herwig, M.Sc.

Das Projekt ZuLeSELF hat zum Ziel, kritische Be-triebszustände in Elektrofahrzeugen zu vermeiden,die durch den Ausfall der leistungselektronischenKomponenten entstehen können.Bei klassischen Verbrennerfahrzeugen tritt ein un-gewolltes Fahrverhalten als Vorbote eines kommen-den, noch größeren Schadens auf. Der/die Fah-rer/in kann in diesem Fall eine Werkstatt aufsuchen.Bei Elektrofahrzeugen können Schäden der Leis-tungselektronik ohne zusätzliche Zustandsüberwa-chung nur schwer rechtzeitig erkannt werden. AlsFolge kann ein unvorhergesehener Ausfall des elek-trischen Systems einen kritischen Fahrzustand ver-ursachen. Mit dem Aufkommen teilautonomer Fahr-zeuge bekommt diese Thematik besondere Bedeu-tung, da der/die Fahrer/in nicht mehr dauerhaft dievolle Kontrolle über das Fahrzeug haben muss.Am IAL werden Zustandsüberwachungskonzepteauf Basis von Thermo-Sensitiven Elektrischen Pa-rametern (TSEPs) untersucht. Im Fokus steht dieErkennung thermomechanischer Schädigungen anschnellschaltenden SiC-Leistungsmodulen. Es wirdHardware entwickelt, die anhand des Schalt- undDurchlassverhaltens die Sperrschichttemperatur derLeistungshalbleiter, Bonddrahtschäden oder Lot-schichtdegradation erkennen soll.

Abb. 9: Messschaltung zur Erfassung der Schaltzeiten vonSiC-LeistungsmodulenFig. 9: Circuitry for measuring switching times of a SiCpower module

Sensors for the ConditionMonitoring of Power Electronicsin Electric Vehicles

by Daniel Herwig, M.Sc.

The aim of the project ZuLeSELF is to avert danger-ous driving situations in electric vehicles caused bythe failure of power-electronic components.When a conventional combustion engine degrades,the failure of the system is usually preceded by no-table changes in the vehicle behaviour. The drivercan then go to a car repair shop. In power electron-ics, a failure may occur quite suddenly. Without con-dition monitoring, it is unlikely that an imminent fail-ure is detected in time for preventive maintenance.With the increasing trend towards semi-autonomousvehicles, condition monitoring becomes particularlyimportant, since there is no longer the need for thedriver to be in permanent control of the vehicle.The IAL investigates condition monitoring conceptsbased on Temperature-Sensitive Electrical Param-eters (TSEPs). The focus is on the detection ofthermomechanical degradation of fast-switching SiCpower modules. Dedicated hardware is developedto detect the junction temperature of the powersemiconductors, bond wire damage or solder layerdegradation based on the switching and conductingcharacteristics of the modules.TSEP-based methods are already widely used in thelaboratory, but there are additional challenges for themonitoring of an inverter during normal operation.The sensitivity of TSEPs often varies greatly overthe operating range. Calibration data are not fullytransferable between different operating conditions.The switching and conducting behaviour is largelydetermined by the gate driver. Small variations ofthe gate driver voltages may have severe impact onthe TSEP-based temperature estimation. Measur-ing all dependencies would lead to a complex mea-surement system.

0 2 4 6 8 10 12 14

Combined evaluation (ANN)Combined evaluation (analytical model)

Current rise timeTurn-on delay time

Diode forward voltageIGBT saturation voltage

0.732.28

3.858.46

6.40

Overall root-mean-square deviation (K)

14.55

Abb. 10: Vergleich der mittleren quadratischen Abweichung von einzelnen TSEPs (blau) und kombinierten Verfahren (grün) [5]Fig. 10: Comparison of the overall root-mean-square deviation of individual TSEPS (blue) and combined concepts (green) [5]

12


0.1

0.4

1.5

6.5

27.5

116.7

0.41.5

6.527.5

116.7

0.4 1.5 6.527.5116.7

0.41.5

6.527.5

116.7

0.4

1.5

6.5

27.5

116.7

0.4

1.5

6.5

27.5

116.7

0.41.5

6.527.5

116.7

0.41.56.527.5116.70.4

1.56.5

27.5116.7

0.6% Load CurrentProbe Accuracy*

0.4% Load CurrentProbe Offset*

2.8% DC-Link VoltageProbe Accuracy*

0.1% DC-Link VoltageProbe Offset*

200mV Variance inPositive Gate Driver Voltage

200mV Variance inNegative Gate Driver Voltage

10% Variance of DriverCapacitance

0.1% Variance ofExternal Gate Driver Resistor

Variance of Discrete InternalGate Loop Resistors

Turn-on delay time td onlyCurrent rise time tri only

td and tritd

Effective accuracies of the test bench;scaled to the nominal current of the modulesand the applied dc-link voltage

*)

Abb. 11: Zusätzliche mittlere quadratische Abweichung in Kelvin (logarithmisch) für verschiedene parasitäre Störgrößen; dietransparenten Flächen stellen die abgeschätzte Spannweite auf Grund der Nichtlinearität der Gatekapazität dar [6]Fig. 11: Additional root-mean-square deviation in Kelvin to be expected with regard to different parasitic effects (log scale); transparentareas indicate the estimated range of the deviation, due to the uncertainty in gate capacitance [6]

TSEP-basierte Messverfahren sind im Labor be-reits weitverbreitet. Für die Überwachung einesFahrzeugumrichters im regulären Betrieb ergebensich allerdings weitere Herausforderungen. DieSensitivität der TSEPs variiert häufig stark überden Betriebsbereich. Kalibrierdaten sind nicht un-eingeschränkt zwischen verschiedenen Betriebsbe-dingungen übertragbar. Das Schalt- und Durch-lassverhalten wird maßgeblich durch den Gate-treiber bestimmt. Leichte Schwankungen der Gate-spannung können starken Einfluss auf die TSEP-basierte Temperaturbestimmung haben, sind jedochnur schwer direkt erfassbar.Im Rahmen des Projektes wird die Kombinationmehrerer TSEPs als Lösungsansatz untersucht.Es konnte gezeigt werden, dass eine geeigneteAuswahl an TSEPs die Genauigkeit der Bestim-mung der Sperrschichttemperatur über den Be-triebsbereich verbessert, siehe Abb. 10. Dabeiwurde die Kombination mittels Künstlicher Neu-ronaler Netze (Artificial Neural Networks, ANNs)und analytischer Fitfunktionen verglichen.Weiter wurde die Größe der zu erwarteten Para-sitäreffekte an kommerziell eingesetzten Modulenund Treibern bestimmt. Über analytische Mo-delle des Schaltvorgangs wurde der resultierendeFehler auf die Temperaturbestimmung über TSEPsabgeschätzt. Dabei konnte gezeigt werden, dasseine geschickte Vorverarbeitung und Kombinationmehrerer TSEPs die Robustheit gegen parasitäreStörgrößen verbessern kann, siehe Abb. 11.Im weiteren Verlauf des Projektes werden SiC-Module künstlich gealtert und regelmäßig mit demMesssystem geprüft. Ziel ist es, zu testen, ob dasTSEP-Messsystem die Alterung rechtzeitig erkennt.

In the context of the project, the approach is toinvestigate the combination of several TSEPs. Itwas shown that an appropriate selection of multipleTSEPs improves the accuracy of junction tempera-ture estimation over the operating range, see Fig.10. Artificial Neural Networks (ANNs) and analyticalfitting functions were compared as a means to com-bine several TSEPs into one temperature estimate.Furthermore, the size of parasitic effects to be ex-pected was determined using commercial modulesand drivers. The resulting error in temperature esti-mation was evaluated with analytical models of theswitching process. The results show that the combi-nation of several TSEPs and a suitable selection ofpre-processing can improve the robustness againstparasitic influences, see Fig. 11.In the course of the project, SiC modules will beartificially aged and periodically monitored with themeasurement system. The objective is to testwhether the TSEP measurement system detectsdegradation in sufficient time.This work was funded by the German Federal Ministry of Edu-

cation and Research under the funding code 16EMO0325. The

authors are responsible for the content of this publication.

[5] D. Herwig, T. Brockhage, and A. Mertens.“Combining multiple temperature-sensitiveelectrical parameters using artificial neuralnetworks”. In: 2020 22nd European Confer-ence on Power Electronics and Applications(EPE’20 ECCE Europe). 2020, pp. 1–10.

[6] D. Herwig, T. Brockhage, and A. Mertens.“Impact of Parasitics in Power Modules andGate Drivers on TSEP-based TemperatureEstimations”. In: 2020 23rd ICEMS. IEEE.2020.

13


Positionsgeberlose RegelungpermanentmagneterregterSynchronmaschinen

von Georg Lindemann, M.Sc.und Niklas Himker, M.Sc.

Die dynamische Regelung einer permanentmagnet-erregten Synchronmaschine (PMSM) erfordert dieRotorlageinformation der Maschine, welche nachStand der Technik durch einen an der Welle montier-ten Geber erfasst wird. Aktuelle Forschungsarbeitenam IAL befassen sich damit, dieses Bauteil überflüs-sig zu machen, um Kosten, Bauraum und Ausfall-wahrscheinlichkeit des Antriebsstranges zu reduzie-ren. Der dafür genutzte Prüfstand ist in Abb. 13 dar-gestellt. Im Gegensatz zu den Betriebsbereichen mithöherer Drehzahl (> 5 - 10% Bemessungsdrehzahl),in denen die Gegenspannung der PMSM ausgewer-tet wird, befasst sich das aktuelle Forschungsvorha-ben mit geringen Drehzahlen und Drehzahl Null. ImBereich kleiner Drehzahlen wird die lageabhängigeInduktivität der Maschine ausgewertet, um aus derSpannung und dem Strom die Rotorlage zu schät-zen. Die Herausforderung besteht darin, eine Dy-namik und Güte des geschlossenen Regelkreiseszu erreichen, die vergleichbar mit einem Systemmit Geber ist. Zur Einordnung der Dynamik einesSystems mit Geber sind experimentelle Ergebnis-se bei Drehzahl Null in Abb. 12 dargestellt. In derersten Zeile ist der q-Strom der PMSM und in Zeilezwei und drei die Drehzahl bzw. die Rotorlage derMaschine dargestellt. Ein von außen angreifendesDrehmoment wirkt als Störgröße.

-10

0

10

i qinA

-200

0

200

400

nm

ech

in1 /

min

-505

0 0.1 0.2

-120

0

120

t in s

γel

ino

0 0.1 0.2t in s

0 0.1 0.2t in s

Abb. 12: Drehzahlregelung mit Encoder als Rückführung imStillstand. Das Lastdrehmoment wird aufgebracht (links),reversiert (Mitte) und auf Null reduziert (rechts).Fig. 12: Speed control with encoder as feedback at zerospeed. Load torque applied (left), reversed (middle) andreduced to zero (right)

Im Vergleich zu Verfahren mit einem Beobachter,welche ein integrierendes Verhalten besitzen, ermit-

Self-Sensing Control ofPermanent Magnet SynchronousMachines

by Georg Lindemann, M.Sc.,and Niklas Himker, M.Sc.

Dynamic control of a Permanent Magnet Syn-chronous Machine (PMSM) requires information onthe machine’s rotor position which is typically mea-sured by a sensor that is mounted on the shaft.The aim of current research projects at IAL is tomake this component redundant, in order to re-duce cost, installation space and failure probabilityof the drive train. The test bench used is shownin Fig. 13. In contrast to higher-speed operat-ing ranges (> 5 - 10% rated speed), where thePMSM’s back EMF is evaluated, current research isfocused on low speeds and zero speed. In the lowerspeed range, the machine’s position-dependent in-ductance is evaluated in order to estimate the rotorposition from the voltage and the current. The chal-lenge is to achieve a dynamic response and qualitygrade of the closed loop that is comparable to a sys-tem with sensor. To classify the dynamic responseof a system with sensor, Fig. 12 shows experimen-tal results at zero speed. The first row indicates theq-current in the PMSM and the second and third rowthe machine’s speed and rotor position, respectively.An external torque acts as a disturbance variable.Compared to observer-based methods with integrat-

Abb. 13: Untersuchte PMSM (rechts) mit gekoppelterLastmaschine (links) und Drehmomentsensor (mittig)Fig. 13: Tested PMSM (right) with coupled load machine (left)and torque sensor (middle)

ing behaviour, the current approach determines es-timates in one control cycle. The estimation doesnot depend on the fundamental flux linkage in themachine, but on the derivation of the flux linkage.For this purpose, the current slopes within a PWMperiod are measured by FPGA-based current over-sampling (multiple sampling of current values withina PWM period). With the desired voltages of thecontrol, we can set up an error equation as the ba-sis for rotor position estimation using the GradientDescent Method (GDM).In previous methods of IAL, GDM was done us-

14


telt das aktuelle Verfahren die Schätzwerte in einemRegelungstakt. Die Schätzung hängt dabei nicht vonder grundfrequenten Flussverkettung in der Maschi-ne ab, sondern von der Ableitung der Flussver-kettung. Als Voraussetzung werden die Stromstei-gungen innerhalb einer PWM-Periode durch FPGA-basierte Überabtastung (mehrfache Erfassung derStromwerte innerhalb der PWM-Periode) gemes-sen. Mit Hilfe der Sollspannungen der Regelungkann eine Fehlergleichung aufgestellt werden, ausder unter Verwendung des Gradientenabstiegsver-fahrens (engl. Gradient Descent Method, GDM) dieRotorlage geschätzt wird.In früheren Verfahren des IAL wurde die GDM mitHilfe einer Phasenregelschleife (eng. phase-lockedloop, PLL) durchgeführt, deren Parameter nur em-pirisch einzustellen sind und die Dynamik des Ver-fahrens beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu wird indem aktuellen Verfahren eine quasi-direkte (QD)-Berechnung genutzt. Die QD-Berechnung ermög-licht die Schätzung der Rotorlage aus der Fehler-gleichung ohne zusätzliche Zeitverzögerung, wassich in einer Erhöhung der Dynamik des geschlos-senen Regelkreises auswirkt. Die Parameter derQD-Berechnung lassen sich anhand von Maschi-nenparametern bestimmen [7]. Somit wird eine Sta-bilität über den gesamten Betriebsbereich sicherge-stellt. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber derNutzung einer PLL.Die QD-Berechnung der Schätzung lässt als weite-ren Vorteil die einfache Kompensation von Maschi-neneffekten wie z.B. der sättigungsabhängigen Ver-schiebung des Induktivitätsminimums (engl. crosscoupling) zu [8]. In Abb. 14 sind Messergebnisse fürdie Störgrößenaufschaltung im Stillstand, vergleich-bar mit Abb. 12, dargestellt. Die unterste Zeile zeigtden elektrischen Rotorlageschätzfehler. Dieses Ver-fahren ist damit durchaus vergleichbar mit einemeinfachen Inkrementalgeber.

[7] Niklas Himker, Georg Lindemann und AxelMertens. “Iterative tracker for anisotropy-based self-sensing control of PMSM”. In:2019 IEEE 10th International Symposiumon Sensorless Control for Electrical Drives(SLED). IEEE. 2019, S. 1–6.

[8] Georg Lindemann, Niklas Himker und AxelMertens. “Enhanced observer with adapti-ve reference frame for self-sensing controlof PMSM”. In: 2019 IEEE 10th InternationalSymposium on Sensorless Control for Elec-trical Drives (SLED). IEEE. 2019, S. 1–6.

ing a Phase-Locked Loop (PLL) with empirical pa-rameter setting reducing the dynamic response ofthe method. In contrast, the new method relies onquasi-direct (QD) calculation. QD calculation en-ables rotor position estimation from the error equa-tion without additional time delay, thus increasing thedynamic response of the closed loop. The parame-ters of the QD calculation can be determined basedon machine parameters [7], ensuring stability overthe entire operating range. This is a major advan-tage compared to the use of a PLL.Another advantage of QD calculation of the estima-tion is an easy compensation of machine effects likethe saturation-dependent cross coupling [8]. Fig. 14shows the measuring results for disturbance com-pensation at zero speed, comparable to Fig. 12.The bottom row depicts the rotor position estimationerror. The method is comparable with a simple in-cremental encoder.

-10

0

10i q

inA

-200

0

200

400

nm

ech

in1 /

min

-505 measured

estimated

-120

0

120

γel

ino

measuredestimated

0 0.1 0.2

-10

0

10

t in s

γer

rin

o

0 0.1 0.2t in s

0 0.1 0.2t in s

Abb. 14: Geberlose Drehzahlregelung im Stillstand. DasLastdrehmoment wird aufgebracht (links), reversiert(Mitte) und auf Null reduziert (rechts)Fig. 14: Self-sensing speed control at zero speed. Loadtorque applied (left), reversed (middle) and reduced tozero (right)

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Verbesserte Verlustberechnungin Großgeneratoren

von Torben Fricke, M.Sc.und Dr.-Ing. Alexander Rehfeldt

Aufgrund ihrer geringen Stückzahl ist es für dieDimensionierung von Großgeneratoren besonderswichtig, auf schnelle und verlässliche Berechnungs-verfahren zurückgreifen zu können. Daher werdenam IAL neue Verlustberechnungsverfahren entwi-ckelt, die schnell genug sind, um in bestehende Di-mensionierungstools integriert zu werden, und den-noch eine zu Finite-Elemente-Verfahren vergleich-bare Genauigkeit aufweisen. Im letzten Institutsbe-richt wurde bereits ein neues Verfahren zur Berech-nung von Schlingströmen und Schlingstromverlus-ten in Roebelstäben vorgestellt. Aktuell liegt der For-schungsschwerpunkt auf den ebenfalls durch Stirn-raumfelder hervorgerufenen Wirbelstromverlustenin Statordruckplatten (in Abb. 15 dargestellt) undDruckfingern, der Ermittlung von parasitären Verlus-ten aufgrund von Kühlkanälen sowie auf einer ver-besserten Berechnung der Feld- und Verlustvertei-lung im homogenen Teil des Blechpakets.

Abb. 15: Stirnraumfeld in einem Wasserkraftgenerator tritt indie Statordruckplatte ein.Fig. 15: Magnetic field in the end region of ahydrogenerator entering the stator clamping plate.

Die Feldberechnung im homogenen Teil des Blech-pakets baut, wie in Abb. 17 dargestellt, neben analy-tischen auch auf numerischen Schwarz-Christoffel-Transformationen auf. Letztere werden durch einenam IAL entwickelten Algorithmus berechnet. Auf die-se Weise kann die durch das analytische Lösen derLaplace-Gleichung für eine Rechteckgeometrie er-mittelte Feldverteilung direkt auf den in Abb. 17 dar-gestellten Nut-Joch-Übergang übertragen werden.So ergeben sich für die Eisenverlustberechnung imVergleich zur FEM Fehler im Bereich einzelner Pro-zentpunkte bei Rechenzeiten von wenigen Hundert

Improved Loss Calculation inLarge Generators

by Torben Fricke, M.Sc.,and Dr.-Ing. Alexander Rehfeldt

The design of large generators, which are typicallyproduced in small lot sizes, notably requires the useof fast and reliable calculation methods. At IAL,we are developing new calculation methods that arefast enough to be integrated into existing design toolchains and nevertheless have an accuracy compa-rable to finite-element methods. The last institutereport has already presented a new method for cal-culating circulating currents and the resulting lossesin Roebel bars. Currently, our research is focusedon new calculation methods for eddy current losses,also caused by the magnetic field in the end wind-ing region, shown in Fig. 15, in solid stator clampingplates and pressure fingers, on calculation methodsfor parasitic iron losses due to cooling channels andon an improved calculation of the field and loss dis-tribution in the homogeneous part of the stator core.

Abb. 16: Knotenkette des am IAL entwickelten Node LoopSurface Impedance Loss Models.Fig. 16: Node chain of the Node Loop Surface ImpedanceLoss Model developed at IAL.

The improved calculation of the field and loss distri-bution in the homogeneous part of the stator corerelies on both analytical and numerical Schwarz-Christoffel mappings, as can be seen in Fig. 17.The latter are mapped using an algorithm developedat IAL. This way, the field distribution inside a rect-angular geometry, obtained by analytically solvingthe Laplace equation, can be mapped to the muchmore complex geometry of the slot-yoke transition,where an analytical solution of the Laplace equa-tion would be unachievable. Iron losses calculatedthis way within just a few milliseconds up to someseconds only differ by single digit percentages com-pared to FEA simulations.Numerical Schwarz-Christoffel mappings are alsoused to calculate the magnetic field in the end re-gion required for our clamping plate and pressurefinger loss calculations. The results of this field cal-culation differ only by 1 %±11 % compared to mag-netostatic 3D FEA simulations, when applied to sixvery diverse, manufactured hydrogenerators. This

16


Millisekunden bis zu einzelnen Sekunden.Für die Berechnung der Stirnraumfelder, die fürDruckplatten- und Druckfingerverluste benötigt wer-den, kommen ebenfalls numerische Schwarz-Christoffel-Transformationen zum Einsatz. Die Er-gebnisse dieser Feldberechnung weichen, ange-wendet auf sechs sehr unterschiedliche, gebau-te Wasserkraftgeneratoren, nur um 1 % ± 11 %von den Ergebnissen magnetostatischer 3D-FEM-Vergleichsrechnungen ab. Die Ergebnisse dieserFeldberechnung werden dann in Verlustmodelle fürDruckfinger und Druckplatte auf Basis von Oberflä-chenimpedanzen und magnetischen Ersatznetzwer-ken gespeist. Abb. 16 zeigt das am IAL erarbeite-te Node Loop Surface Impedance Loss Model, wel-ches zur Bestimmung der Druckplattenverluste bei-trägt. Dieses Verfahren kommt durch die geschickteWahl von Randbedingungen und durch ein durch-dachtes Netz mit sehr wenigen Knoten aus. Für dieGeometrie des Testgenerators mit einem Bohrungs-durchmesser von mehr als einem Meter reichen nur61 Knoten, um eine Abweichung von 3 % zur tran-sienten Zeitschritt-3D-FEM-Simulation zu erreichen(zum Vergleich wurde das B-Feld aus der FEM-Simulation verwendet). Das gesamte Berechnungs-verfahren für Druckplatten- und Druckfingerverlus-te benötigt nur ca. 2 Sekunden auf einem handels-üblichen Laptop im Vergleich zu Stunden für einetransiente Zeitschritt-3D-FEM-Simulation auf einerDesktop-Workstation.Alle Berechnungsansätze werden durch Ver-gleich mit 3D-FEM-Simulationen und Messun-gen an einem Testgenerator am GeCoLab-Großmaschinenprüfstand des IALs in Marien-werder, Hannover, validiert.

field calculation is the foundation for our clampingplate and pressure finger loss models based on sur-face impedance boundary conditions and magneticequivalent circuits. Fig. 16 shows one building blockof the clamping plate loss calculation: the NodeLoop Surface Impedance Loss Model. By carefullychoosing boundary conditions and creating a wellthought out mesh, this method requires very fewnodes. The clamping plate geometry of our test gen-erator with an inner stator diameter exceeding onemeter just requires 61 nodes to achieve an error of3 % compared to a transient time step 3D FEA sim-ulation (here, the B-field was extracted from the FEAsimulation). The entire clamping plate and pressurefinger loss calculation method only takes around 2seconds computing time on a standard laptop, com-pared to some hours on a desktop workstation for atransient time step 3D FEA simulation.All loss calculation methods are validated using 3DFEA simulations as well as measurements on ourtest generator at the GeCoLab test stand for largeelectrical machines in Marienwerder, Hannover.

g

numerical

h

analytical

intermediate domain canonical domainphysical domain

w0w1w2

w3 w4w5ξ1ξ2 ξ3 ξ4 ξ5

ξ0 →∞

z0z1z2

z4z3

z5 ξ8 = 1 ξ9 = a

w9z9

w8w6

w7

w10

z7

z10

z6

z8

Fig. 6: Mapping between a rectangle (canonical domain) and a symmetrical but otherwise arbitrarily shaped physical domainvia an infinite strip (intermediate domain). The mapping function h is obtained analytically, while the mapping g is donenumerically.

To include these effects in the field calculation, the tootharea has to be considered. There are various approaches foundin literature how into incorporate the tooth area in the fieldcalculation. Most methods are based on subregion modelling[7], [8], [9]. For these approaches, an analytical solution isoften hard to find and a numerical solver is used. The followingsections present an approach based on conformal mapping andmodified analytical field calculation.

III. SCHWARZ-CHRISTOFFEL MAPPING

Conformal mappings map a bounded area to anotherbounded area, conserving angles locally. Field problems can besolved in one bounded area and their solution is transformedto another. One such mapping is the Schwarz-Christoffel (SC)mapping, which maps from an infinite half plane (canonicaldomain) to an arbitrary polygon (physical domain) [10]. Thepolygon describing the physical domain is defined by theposition of its vertices z = x + j · y and the correspondingangles αi as seen in fig. 7. The mapping function from theinfinite half plane (canonical domain) w to the physical domainis given by

z = f(w) = K ·∫

(w − w1)α1/π−1 · (w − w2)α2/π−1 . . .

(w − wn)αn/π−1 dw,(6)

physical domain canonical domain

w1 →∞

z1

z2

z3

z4

α2

α3

α4

α1

f

w1 →∞w2 w3 w4

Fig. 7: Nomenclature around Schwarz-Christoffel mappings

where the prevertices wi refer to the points in the canonicaldomain corresponding to the polygons vertices zi. The anglesαi are measured in the physical domain. Assembling themapping function is relatively straight-forward. Integratingthe mapping function analytically is more difficult, as thenumber of vertices increases. Reppe [11] therefore introducedthe idea of integrating the mapping function numerically. Thisbrings along its own set of challenges and increased compu-tational cost, but allows for much more complex geometries.Driscoll and Trefethen [12], [13] expanded the idea of tacklingSchwarz-Christoffel mapping numerically. A great resourceof numerical Schwarz-Christoffel mappings is the Schwarz-Christoffel Toolbox for Matlab developed by Driscoll [14].The accompanying documentation and examples are able toprovide a much deeper understanding of how to performnumerical quadrature, determine the prevertices w and manyother implementation details.

Using multiple Schwarz-Christoffel mappings consecutivelyallows the canonical domain to be shaped differently from aninfinite half plane. Fig. 6 shows the mapping from a rectangle(canonical domain) to an infinite strip (intermediate domain)to a symmetrical, but otherwise arbitrarily shaped physicaldomain. The mapping from the intermediate to the physicaldomain is done numerically, as previously described. Mappingfrom the canonical domain (rectangle) to the intermediatedomain is done analytically. Gibbs [10] provides the analyticalmapping function as

ξ = h(w) = sn (w) . (7)

The Jacobian elliptic function sn for complex arguments canbe found in [15] under equation 125.01 as

sn (u± jv, k) =

sn (u, k) dn (v, k′)± jcn (u, k) dn (u, k) sn (v, k′) cn (v, k′)

1− sn2 (v, k′) dn2 (u, k),

(8)

where the modulus for the real part is k = 1/a2 and themodulus for the imaginary part equals k′ = 1− k. The value

1424

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Abb. 17: Schwarz-Christoffel-Transformation eines Rechtecks über die unendliche Halbebene in die Geometrie einesNut-Joch-Übergangs. Die Transformation g von der Halbebene in die physische Ebene erfolgt über einen am IALentwickelten numerischen Algorithmus.Fig. 17: Schwarz-Christoffel mapping between a rectangle and a slot-yoke transition, via an infinite half-plane.Mapping g from the infinite half-plane to the physical domain is calculated by a numerical algorithm.

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Elektrische Antriebssysteme fürFlugwindkraftanlagen(SkyPower100)

von Bakr Bagaber, M.Sc.und Daniel Heide, M.Sc.

In den letzten zehn Jahren wurden immer mehrOffshore-Windturbinen gebaut, um den wachsen-den Energiebedarf mit erneuerbaren Energien zudecken und die Verfügbarkeit dieser Energiequel-le zu erhöhen. Diese Infrastrukturen erfordern je-doch sehr hohe Kapitalkosten, was zur Suche nachAlternativen motiviert. Eine mögliche Lösung be-steht darin, Wind in größeren Höhen - über 300 Me-ter - nutzbar zu machen, wo die Windgeschwindig-keit größer und beständiger ist. Das Projekt Sky-Power100 soll demonstrieren, dass der groß ange-legte, vollautomatische Betrieb und die Stromerzeu-gung in Flugwindkraftanlagen einschließlich auto-matisierter Starts und Landungen möglich und zu-verlässig ist. Eingebettet in das Gesamtprojekt ver-folgt das IAL die systematische Konzeption geeigne-ter Antriebsstränge für Anlagen mit einer angestreb-ten Ausgangsleistung von bis zu 5 MW, die den Ver-gleich und die Bewertung von Motor-Generatorenund den zugehörigen Umrichterkonzepten ermögli-chen. Eine schematische Übersicht über ein solchesAntriebssystem ist in Abb. 18 dargestellt.

Abb. 18: Schematische Darstellung des AntriebssystemsFig. 18: Schematic overview of the complete drive system

Es basiert auf einem flexiblen Flugdrachen, der überein Seil und eine Winde mit einem Generator in ei-ner Bodenstation verbunden ist. Im sog. Auswinsch-betrieb wird der Flugdrachen im Wind fortbewegtund treibt den Generator an. Wenn die maximaleSeillänge erreicht ist, wird der Drachen im Windfens-ter in neutrale Position gelenkt und von der nun alsMotor arbeitenden elektrischen Maschine eingeholt.Dann beginnt der Zyklus von neuem. Im Auswinsch-betrieb wird mehr elektrische Energie erzeugt als inder Einwinschphase verbraucht wird, da der Dra-chen hierbei dynamisch so im Windfenster fliegt,dass sich die auf das Seil wirkende Kraft gegenüberder Einwinschphase vervielfacht.

Electrical Powertrains forAirborne Wind Power Plants(SkyPower100)

by Bakr Bagaber, M.Sc.,and Daniel Heide, M.Sc.

Over the past decade, more and more offshore windturbines have been built in order to meet the growingenergy demand using renewable energies and re-duce the intermittency of this technology. However,these infrastructures require very high capital cost,which is the motivation for searching for alterna-tives. One possible solution is to utilize high-altitudewinds (above 300 metres) - where wind speedsare higher and more consistent. The aim of theSkyPower100 project is to demonstrate that large-scale fully automated operation and power gener-ation of an airborne wind energy system includingautomated starting and landing is possible and reli-able. Embedded in the overall joint project, IAL pur-sues the systematic development and examinationof suitable drive trains for plants with a target out-put power of up to 5 MW to allow comparison andevaluation of motor-generators and power converterconcepts. A schematic overview of a suitable drivesystem is shown in Fig. 18. It is based on a flexibleflying kite, which is powered by wind and attachedto a winch and a generator in a ground station us-ing a long tether. In downwind operation, the kiteis winched out and powers the generator. When theend of the tether is reached, the kite is steered wind-ward in neutral position and winched in by the elec-trical machine now working as a motor. Then thecycle starts again. In the reel-out phase, more elec-trical energy is generated than is consumed in thereel-in phase, because the kite flies dynamically inthe wind window, so that the force acting on the ropeis multiplied compared to the reel-in phase.Therefore, the system should be designed so asto provide high efficiencies over a wide operatingrange, overload capability, stability, redundancy, andlong lifetime especially for offshore applications. Dif-ferent drive train concepts are under investigationfor this application; this includes designing and in-vestigating several types of electrical machines andfrequency converters. With regard to the electri-cal machine, synchronous reluctance machines andpermanent-magnet synchronous machines with ex-ternal rotor were identified as particularly promisingconcepts. Major advantages of these machines arenot only the low power losses, which enable a highoverall efficiency in the flight cycle, but also the gear-less integration of the generator into the winch. Onthe other hand, this concept is accompanied by spe-cial challenges such as heat transfer and cooling ofthe generator.

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Das Antriebssystem muss daher so konzipiert sein,dass es hohe Wirkungsgrade über einen weitenBetriebsbereich, Überlastbarkeit, Stabilität, Redun-danz und eine lange Lebensdauer insbesondere fürOffshore-Anwendungen bietet. Hierfür werden amIAL verschiedene Arten von elektrischen Maschi-nen sowie Frequenzumrichter dimensioniert und si-muliert. Im Hinblick auf die elektrische Maschinewurden synchrone Reluktanzmaschinen und per-manenterregte Synchronmaschinen mit Außenrotorals besonders vielversprechende Konzepte identi-fiziert. Wesentliche Vorteile dieser Maschinen sindnicht nur die geringen Verlustleistungen im Rotorund ein hoher Gesamtwirkungsgrad im Flugzyklus,sondern auch die getriebelose Integrierbarkeit desGenerators in die Seilwinde. Auf der anderen Seitegeht dieses Konzept mit besonderen Anforderungenzum Beispiel an die Erwärmung und Kühlung desGenerators einher. Im Rahmen des Projekts wur-de ein Pilot-Generator mit Permanentmagnet-Rotorund einer Spitzenleistung von mehr als 300 kW rea-lisiert. Als Magnetmaterial wurde ein Hart-Ferrit auf-grund der besseren Nachhaltigkeit im Vergleich mitaktuellen Hochenergiemagneten ausgewählt.Im Hinblick auf die Leistungselektronik sind diewichtigsten Komponenten der maschinenseitigeUmrichter, der netzseitige Umrichter, ein Energie-speicher, der als Leistungsfilter die an das Netz ab-gegebene Leistung von der Flugphase des Kitesentkoppelt, und als Backup-Versorgung dient, so-wie die Steuereinheiten. Allerdings haben Flugwind-kraftanlagen auch ihre eigenen Herausforderungen.Der Betrieb des Flugdrachens in der vorgestell-ten Weise führt zu ungleichförmigen Drehmoment-und Drehzahlverläufen, die wiederum eine fluktuie-rende Leistung der elektrischen Maschine verursa-chen. Dies und der sich wiederholende Aus- undEinwinsch-Prozess und die dazwischen liegendeTransferphase bewirken belastende thermische Zy-klen in den Halbleiterbauelementen des maschinen-seitigen Umrichters.Die Integration von Flugwindkraftanlagen in dasNetz ist ein weiterer Forschungsschwerpunkt. Ins-besondere werden die Einhaltung von Netzan-schlussbedingungen sowie die Synchronisation ver-schiedener Anlagen in einem Windparkszenario un-tersucht. Ein wesentliches Ziel des Projekts ist es,die Funktionsfähigkeit und den Nutzen der Tech-nologien auch praktisch zu validieren. Im Sommer2020 ist der Antriebsstrang im Generator-Umrichter-Labor am IAL bereits erfolgreich untersucht worden(siehe Abb. 19). Nach dem Einbau des Antriebsin die Seilwinde wird dieser in einer vollautomati-schen Flugwindkraftanlage mit einer durchschnittli-chen Netzeinspeiseleistung von 100 kW unter rea-len Bedingungen den Dauertestbetrieb aufnehmen.

A pilot generator with permanent magnet rotor anda peak power of more than 300 kW has been builtwithin the scope of the project. A hard ferrite ma-terial was selected as the magnet material becauseof its better sustainability compared to current high-energy magnets.With regard to power electronics, the main compo-nents are the machine-side converter, the grid-sideconverter, an energy storage serving as power filterand backup supply, and the control units. However,airborne wind energy systems have their own chal-lenges. Operating the kite in the presented man-ner yields complex torque and speed characteristicswhich in turn cause a fluctuating power behaviour atthe machine terminals. This and the repetitive reel-in/reel-out process creates stressful thermal cyclesin the semiconductor devices of the machine-sideconverter.The integration of airborne wind power systems intothe grid is another point of research. In particular,compliance with grid codes as well as synchroniza-tion of different units in a wind farm scenario are in-vestigated.A major goal of the project is to validate the func-tionality and benefits of the technologies in practice.Therefore, a fully automated pilot plant, capable ofproducing an average grid feed-in power of 100 kWhas been developed and built. In summer 2020,the drivetrain has been successfully examined in theGenerator-Converter Laboratory at IAL (Fig. 19).After installation of the drive into the winch, the drivewill be put into continuous test operation under realconditions in a fully automated pilot airborne windpower plant.

Abb. 19: GeCoLab Prüfstandsaufbau: SkyPower-Umrichter,Transformator, SkyPower-Generator, Kettengetriebe undLastmaschine (von rechts nach links)Fig. 19: GeCoLab drivetrain test setup: SkyPowerconverter, transformer, SkyPower generator, chain driveand load machine (from right to left)

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Additive Fertigung vonElektromotoren

von Stefan Urbanek, M.Sc.und Maximilian Bieber, M.Sc.

Die additive Fertigung – gemeinhin auch als 3D-Druck bezeichnet – gilt branchenübergreifend als ei-ne der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts.Dank der schichtweisen Herstellung und der damiteinhergehenden freien Gestaltungsmöglichkeiten inallen drei Raumrichtungen können Bauteile nahe-zu jede denkbare Geometrie annehmen. Insbeson-dere der technologische Fortschritt bei der additi-ven Verarbeitung von metallischen Werkstoffen er-laubt es, z.B. Fachwerkstrukturen, bionische Gebil-de oder funktionserweiternde Effekte ohne formge-bende Werkzeuge zu implementieren.Die Potentiale der additiven Fertigung im Elek-tromaschinenbau lassen sich vorteilhaft am Bei-spiel von Rotoren permanentmagneterregter Syn-chronmaschinen aufzeigen. So kann mithilfe von3D-Finite-Elemente-Simulationen die magnetischeFlussführung verbessert werden und weichmagneti-sches Vollmaterial nur an den Stellen innerhalb desAktivteils eingebracht werden, wo es aus magneti-scher, mechanischer oder thermodynamischer Sichtzweckmäßig ist. Im Fall vergrabener Magnete ist esweiterhin möglich, den Rotorkern um die Magneteherum zu tordieren, um so eine Schrägungswirkungzu erzielen, und gleichzeitig die Magnettaschen axi-al gerade zu belassen. Abb. 20 zeigt das Modell ei-nes in Zusammenarbeit mit der Universität Pader-born entstandenen Demonstrators, welcher additivgefertigt und in einem konventionellen Stator am IALmesstechnisch untersucht wurde.Aufgrund der Tatsache, dass additiv gefertigte Ro-toraktivteile aus einem einzigen, elektrisch leitfä-higen Material bestehen, sind insbesondere aufder Rotoroberfläche erhöhte Wirbelstromverlustezu erwarten. Um diese Wirbelstromeffekte mög-lichst effektiv zu verringern, wurden unterschiedli-che Schlitzmuster und Schraffierungen untersucht,die direkt während der Herstellung in die Oberflächegedruckt werden können.Weiterhin ist es dank der additiven Fertigung mög-lich, die Kraftleitung von der Rotoroberfläche bis zurDrehmomentabnahme am Wellenende zu verbes-sern. Die klassische Montage von Rotoraktivteilenauf zylinderförmigen Wellen kann zu lokalen Über-höhungen der mechanischen Spannung führen undhat zudem meist zur Folge, dass mehr Material ver-baut wird, als es aus mechanischer oder magne-tischer Sicht nötig wäre. Wie ebenfalls in Abb. 20zu sehen, ist der Wellenbereich rautenförmig undhohl ausgeführt. Axial kann der Übergang zum Wel-lenende nun so gestaltet werden, dass das Aktivteilfließend in die Zylinderform der Lager übergeht. So

Additive Manufacturing ofElectric Motors

by Stefan Urbanek, M.Sc.,and Maximilian Bieber, M.Sc.

Additive manufacturing – also known as 3D print-ing – is one of the key technologies of the 21st cen-tury. Thanks to layer-by-layer production and three-dimensional freedom when designing parts, compo-nents can take almost any imaginable form or geom-etry. In particular, the technical progress in additivemanufacturing of metallic materials enables the im-plementation of e.g. lattice structures, bionic formsor additional functionality without using conventionalshaping tools.The potentials of additive manufacturing in electricalengineering are demonstrated by using the exampleof permanent magnet synchronous machine rotors.For instance, it is possible to improve the magneticflux paths using 3D finite-element simulations andadd soft-magnetic material inside the active part,only where it is needed from the magnetic, mechanicor thermodynamic point of view. In case of buriedmagnets, it is possible to twist the rotor core contin-uously around the axially straight magnets in orderto obtain a skewing effect, while leaving the magnetpockets axially straight. Fig. 20 shows the model ofan additively manufactured demonstrator developedin cooperation with the University of Paderborn. Thedemonstrator was manufactured using laser beammelting and tested in a conventional stator at IALtest benches.Since additively manufactured rotor active partsconsist of a single, electrically conductive material,increased eddy current losses are expected espe-cially on the rotor surface. In order to reduce theseeddy current effects, we studied different groove pat-terns which can be printed directly onto the rotor sur-

Abb. 20: Modell eines geschrägten Rotoraktivteils mitgeraden MagnettaschenFig. 20: Model of a skewed rotor active part with axiallystraight magnet pockets

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kann Gewicht eingespart und somit letztlich der Wir-kungsgrad und die Dynamik der Maschine erhöhtwerden.Ein weiterer Aspekt, der mithilfe additiver Fertigungneu bewertet werden kann, ist die Kühlung von elek-trischen Maschinen. Sowohl im Gehäuse als auchim Rotor können durch die Möglichkeiten der ad-ditiven Fertigung neuartige Kühlkonzepte erarbeitetwerden. Durch die dreidimensionalen Gestaltungs-möglichkeiten von Kühlkanälen kann die Verlustwär-me aus dem Inneren des Aktivteils besser abge-führt werden als bei herkömmlichen Konzepten, diedurch die konventionellen Herstellungsverfahren inihrer Gestaltungsfreiheit begrenzt werden.In das Gehäuse können z.B. sehr feine, wasser-führende Kühlkanalstrukturen integriert werden, diedurch eine große Kühloberfläche, geringen Druck-abfall und eine gleichmäßige Kühlung der Maschi-ne eine größtmögliche Wärmeabfuhr ermöglichen.In Kühlkanälen im Rotoraktivteil können mittels ad-ditiver Fertigung sowohl Schaufelgeometrien imple-mentiert als auch die Fliehkraftwirkung genutzt wer-den, um ein Druckgefälle zu erzeugen und so denLuftstrom zu initiieren. Die Fliehkraftwirkung ent-steht, wenn die Luft vom Ansaugpunkt im Rotor aufeinem kleineren Radius zu einem Auslasspunkt aufeinem größeren Radius geführt wird. In Abb. 21 istein Schnittbild eines Rotors zu sehen, dessen Kühl-konzept die Fliehkraftwirkung der Luft bei einer sichdrehenden Maschine nutzt und zudem integrierteSchaufelgeometrien aufweist.Die additive Fertigung eröffnet also im Elektroma-schinenbau aus elektromagnetischer, mechanischerund thermischer Sicht vielfältige Verbesserungs-möglichkeiten, zu deren Erforschung auch das IALbeiträgt.

Abb. 21: Schnittdarstellung einer Rotorgeometrie mitinnovativen, dreidimensionalen KühlkanälenFig. 21: Sectional view of a rotor geometry with innovative3D cooling channels

face during the additive manufacturing process.Furthermore, it is possible to improve the force andtorque transmission from the rotor surface to theshaft with the help of additive manufacturing. Con-ventionally assembling the rotor active part on acylindrical shaft can cause a local rise of mechan-ical stress. As a result, more material is used thanrequired from the mechanical or magnetic point ofview. As also shown in Fig. 20, the shaft area ishollow with a rhombic shape. Thus, weight can besaved and the efficiency and dynamics of the ma-chine is improved.Another aspect that can be reevaluated using ad-ditive manufacturing is the cooling of electrical ma-chines. Especially inside the housing and insidethe rotor, novel cooling concepts can be realizedthrough additive manufacturing. Due to the three-dimensional design freedom of cooling channels,the heat loss can be dissipated more efficiently fromthe inside of the active part, compared to conven-tional cooling channels.The housing can, for example, contain fine water-carrying cooling channel structures that allow thegreatest possible heat transfer through a large cool-ing surface, low pressure loss and consistent cool-ing of the machine. In rotor active part cooling chan-nels, additive manufacturing can be employed to im-plement vane-like geometries and make use of thecentrifugal force effect to generate a pressure gra-dient and thus initiate the air flow. In general, thecentrifugal force effect occurs when the air is guidedfrom the intake point on a smaller radius to an outletpoint on a larger radius on the rotor. Fig. 21 showsa sectional view of a rotor with a cooling conceptthat uses the centrifugal force of the air in a rotatingmachine and also has integrated vane geometries.From the electromagnetic, mechanical and thermalpoint of view, additive manufacturing thus opens upa wide range of possibilities for improvement in elec-tromechanical engineering. The IAL will also con-tribute to further research on this topic.

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Charakterisierung vonelektrischen Maschinen mitmagnetischen Ersatznetzwerken

von Constantin Wohlers, M.Sc.und Elmar Haschen, M.Sc.

Magnetische Ersatznetzwerke (MEC) sind trotz stei-gender Rechenleistung nach wie vor eine Alter-native zur FEM, um elektromagnetische Größenvon elektrischen Maschinen zu berechnen. Durchdie gezielte Annahme der Feldverteilung in Formvon Flussröhren lässt sich die Maschinengeome-trie im Vergleich zur FEM-Vermaschung durch we-nige Knoten und magnetische Leitwerte diskretisie-ren. Dies resultiert in einer vielfach schnelleren Feld-lösung, die je nach Diskretisierung und Sättigungsehr nah an das FEM-Ergebnis heranreicht. Damitsind besonders schnelle Kennfeld-Identifikationenz.B. von Induktivitäten in Abhängigkeit von Strömenrealisierbar. Außerdem ist durch die feste Strukturdes MEC je nach Maschinentyp eine einfache Er-stellung vieler geometrisch abgeänderter Variantenin Form einer Parameterstudie für eine effizienteGrobdimensionierung möglich.Zur Modellierung einer elektrischen Maschine mit-tels MEC wird jeweils ein Netzwerk für den Ständer(siehe Abb. 22) und den Läufer (siehe Abb. 23) auf-gebaut, welche durch Leitwerte im Luftspalt zu ei-nem Gesamtnetzwerk verbunden werden.

Abb. 22: Beispiel eines StändernetzwerksFig. 22: Example of a stator network

Prinzipiell sind für die Charakterisierung des Ma-schinenverhaltens die vom Drehwinkel abhängigenGrößen wie Flussverkettung oder Drehmoment zuberechnen. Dies wird erreicht, indem das Läufer-netzwerk gegenüber dem Ständernetzwerk verdrehtund durch angepasste Leitwerte im Luftspalt neuverbunden wird. Die Verbindungsleitwerte im Luft-spalt können anhand der Luftspaltgeometrie überdie Luftspaltleitwertfunktion ermittelt werden. Dafürwird jeweils eine Funktion für den Ständer λstat undfür den Läufer λrot aufgestellt, die zu einer resul-tierenden Leitwertfunktion λres überlagert werden(siehe Abb. 25). Der Verbindungsleitwert ergibt sichanschließend durch Integration der Leitwertfunktionim Luftspalt. Aufgrund der analytischen Zusammen-hänge der Luftspaltleitwertfunktionen lassen sich

Characterization of ElectricalMachines with MagneticEquivalent Circuits

by Constantin Wohlers, M.Sc.,and Elmar Haschen, M.Sc.

Despite increasing computing power, magneticequivalent circuits (MEC) are still an alternative toFEM programmes in order to calculate the electro-magnetic behaviour of electrical machines. Assum-ing flux tubes based on the machine geometry, themagnetic field distribution can be modelled with justa few nodes and magnetic permeances, comparedto the more detailed FEM mesh. This results in amuch faster field solution with an accuracy almostequal to FEM, depending on discretization and sat-uration. This enables a fast map identification, for in-stance of inductances depending on currents. Dueto the fixed structure of the MEC (according to themachine type), a lot of geometrically modified ma-chine variants can be easily created and calculatedin parameter studies which makes the first dimen-sioning highly efficient.For modelling an electrical machine with an MEC,the rotor network (see Fig. 23) and the stator net-work (see Fig. 22) are built separately and are thenconnected by air-gap permeances to a full network.

Abb. 23: Beispiel eines Läufernetzwerks über eine PolteilungFig. 23: Example of a rotor network across one pole pitch

The values depending on the rotor position, likeflux linkage or torque, are essential for identifyingthe machine behaviour. With an MEC, this can beachieved by rotation of the rotor network against thestator network and its reconnection to the latter us-ing adjusted air-gap permeances. These connectingpermeances can be estimated by the air-gap per-meance function, which is dependent on the air-gapgeometry. Air-gap permeance functions are definedfrom the viewpoint of the stator λstat and the rotorλrot separately and are superimposed to the result-ing air-gap permeance function λres. The connect-ing magnetic permeances can be derived from theresulting function via integration. Due to the analyti-cal relation of the air-gap permeance functions, theycan be shifted against each other into any desired

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diese beliebig gegeneinander verschieben, was dieAbbildung einer kontinuierlichen Läuferdrehung er-möglicht. Typischerweise wird bei der Simulation ei-ner Maschine mit Ganzloch- oder Halblochwicklungum eine doppelte Polteilung in über 50 Drehschrit-ten, gedreht.Dienen die Berechnungen jedoch als Grundlagezur Veränderung der geometrischen Parameter derelektrischen Maschine, führt dies zu einer Vielzahlan Berechnungen und zu einem dementsprechendgroßen Zeitaufwand. Daher wird am IAL ein Ansatzverfolgt, um die Rechenzeit mit FEM oder MEC wei-ter zu verkürzen. Zur Bestimmung der charakteris-tischen Größen der elektrischen Maschine werdendie harmonischen Spektren a priori als bekannt vor-ausgesetzt. Diese Größen können dann am Beispielvon Gleichung 1 beschrieben werden. Für die Iden-tifikation einer Harmonischen der Stranginduktivitä-ten sind zwei Informationen nötig: Zum einen istdie Amplitude und zum anderen ist die Phasenla-ge, die jedoch beim Gleichanteil entfällt, zu identifi-zieren. Pro Drehposition können je drei Punkte derInduktivitätsverläufe identifiziert werden, was an derSymmetrie der Induktivitäten liegt. Aus fünf Dreh-positionen lassen sich sowohl die Oberschwingun-gen der Stranginduktivitäten bis k= 14 als auch derGleichanteil korrekt ermitteln. Somit ist eine Identifi-kation der elektrischen Maschine mit fünf Rotorposi-tionen eine sinnvolle Wahl, um die wichtigsten Har-monischen der Induktivitäten zu ermitteln. Ein wei-terer Vorteil ist, dass beim Drehmoment aus fünfbekannten Werten sowohl das Nutrastmoment alsauch das Pendelmoment sechsfacher Frequenz zu-sätzlich zum mittleren Drehmoment ermittelt werdenkann. Somit muss für die Berechnung für jede zu be-stimmende Drehposition nur jeweils ein statischesMEC aufgebaut und gelöst werden.In Abb. 24 ist der Verlauf der Selbstinduktivität ei-nes Ständerstrangs berechnet mittels FEM, MECund MEC mit dem Interpolationsverfahren darge-stellt. Die dem letztgenannten zu Grunde gelegtenWerte sind mit ∗ markiert. Dies zeigt, dass der Ver-lauf von MEC (kontinuerlich und interpoliert) gut mitdem FEM-Ergebnis übereinstimmt.

0 45 90 135 180 225 270 315 3600

0,05

0,1

0,15

Elektrischer Winkel / Electric angle in °

Lin

H

FEMMEC-contMEC-interp

Abb. 24: Verlauf der Selbstinduktivität eines StänderstrangsFig. 24: Self-inductance curve of a stator phase

position, thus allowing the rotor to rotate continu-ously. In a machine characterization, the rotor typi-cally rotates over two pole pitches with more than 50steps.When using this form of analysis for varying the geo-metrical parameters, a large number of calculationsis needed which is very time-consuming. Therefore,IAL researchers are pursuing an approach to de-crease the calculation time with FEM or MEC evenfurther. To estimate the characteristic values of theelectrical machine, an a priori knowledge of the har-monic spectrum is assumed. These values can bedescribed using the equation

Laa = ∑k=2n

Laa,k cos(kωt−ϕaa,k) (1)

for an inductance. To identify a harmonic of a phaseinductance, two information are necessary: Firstly,the amplitude and secondly, the phase angle (not re-quired for the steady component) need to be calcu-lated. For each rotor step, three points of the induc-tance curve can be determined, which is possiblebecause of the symmetry of the inductance curvefor each phase. With five rotor steps, it is possibleto calculate the phase inductance harmonics up tok = 14 as well as the steady-state component cor-rectly. Thus, the identification of an electrical ma-chine with five rotational steps is a sensible choiceto determine the most important harmonics of induc-tance curves. Another advantage is that with fivevalues of torque, the cogging torque as well as thepulsation torque with six times the fundamental fre-quency can be determined in addition to the meantorque. In this case, only one static MEC for eachrotational step is needed.In Fig. 24, the self-inductance curve calculated byFEM, MEC and the described interpolation methodis shown. The five underlying values for the latterare marked with ∗. It can be seen that the MEC val-ues (continuous and interpolation) are in good ac-cordance with the FEM result.

−45 −30 −15 0 15 30 450

0,2

0,4

0,6

0,8

1·10−3

Winkel von Polmitte / Angle from middle of the pole in °

λin

H/m

2

λstat

λrot

λres

Abb. 25: Lufspaltleitwertfunktion von Ständer und Läufer mitÜberlagerung zur resultierenden LeitwertfunktionFig. 25: Air-gap permeance function of stator and rotorwith resulting function from superposition

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Akustik und Schwingungen

von Stephan Vip, M.Sc.,Jan Andresen, M.Sc.,Martin Enno Gerlach, M.Sc.und Allan De Barros, M.Sc.

Die Analyse des Geräuschverhaltens von elektri-schen Maschinen stellt seit langem eine Kern-kompetenz des IAL dar. Bereits 1950 beschriebProf. Heinz Jordan in seinem vielbeachteten Buch„Geräuscharme Elektromotoren“ die Grundlagender Geräuschvorausberechnung: Basierend auf derDrehfeldtheorie wird das Spektrum der auf denStänder wirkenden Maxwellschen Grenzflächen-kräfte vorausberechnet. Zusammen mit der Kennt-nis des mechanischen Schwingungsverhaltens unddes akustischen Abstrahlungsverhaltens können sodie Schallemissionen vorausberechnet werden.In der aktuellen Forschung des IALs wurden diebestehenden Verfahren und Berechnungsprogram-me erweitert. So ist jetzt eine Berücksichtigungnicht kreissymmetrischer dreidimensionaler Struktu-ren möglich. Durch die Nutzung eines modalen An-satzes konnte hier eine besonders zeiteffiziente Be-rechnungsmethodik umgesetzt werden. Eine pas-sende Modellierung der dreidimensionalen Strukturist dabei die Grundlage für eine präzise Vorausbe-rechnung.Darüber hinaus wird der Einfluss einzelner Kom-ponenten, wie z.B. der Wicklung, dem Vergussund dem Gehäuse, auf das Schwingungsverhaltenam IAL mittels experimenteller Modalanalysen er-forscht. Daraus sollen auch Verbesserungen für dieVorausberechnung des Schwingungsverhaltens ab-geleitet werden. Die Berücksichtigung der Beson-derheiten von Wasserkraftgeneratoren, bei denenstatt der Schallemissionen vor allem Strukturschwin-gungen im Vordergrund stehen, sind ebenfalls Ge-genstand aktueller Forschung.Auch im Querschnittsthema Akustik und Schwin-gungen zeigen sich die Vorteile einer engen Ver-zahnung der Fachgebiete Leistungselektronik undAntriebssysteme. So konnte die Kenntnis der Ge-räuschentstehung als Basis für die Erforschung ei-ner aktiven Geräuschkompensation genutzt wer-den. Mit Hilfe von schnellen Stromreglern könnenOberschwingungsströme zur gezielten Kompensa-tion von Geräuschen eingesetzt werden.Die Forschung wird in öffentlich geförderten Projek-ten und mit einer Reihe industrieller Partner durch-geführt, für deren Vertrauen wir uns an dieser Stel-le bedanken möchten. Die Forschungsergebnissewurden auf unterschiedlichen internationalen Kon-ferenzen präsentiert.

Acoustics and Vibrations

by Stephan Vip, M.Sc.,Jan Andresen, M.Sc.,Martin Enno Gerlach, M.Sc.,and Allan De Barros, M.Sc.

Analysing the acoustic noise behaviour of electricalmachines has been a core competence of IAL fora long time. As early as 1950, Prof. Heinz Jordandescribed the basics of noise prediction in his well-respected book "Geräuscharme Elektromotoren":The spectrum of Maxwell’s boundary forces is pre-dicted based on the rotating field theory. Togetherwith the knowledge of the behaviour of mechanicalvibrations and acoustic radiation, the acoustic emis-sions can then be predicted.In current research, researchers at IAL have ex-tended the existing methods and calculation pro-grammes. In this way, it is possible to con-sider three-dimensional structures with non-circularsymmetry. A particularly time-efficient calculationmethodology could be implemented by using amodal approach. A suitable modelling of the three-dimensional structure is the basis for a precise pre-diction.In addition, the influence of individual componentslike the winding, encapsulation and housing on thevibration behaviour is currently being researched atthe IAL using experimental modal analysis. Fromthis, improvements for the prediction of the vibrationbehaviour shall be derived. The consideration of thespecial features of hydropower generators, whereinstead of sound emissions the focus is mainly onstructural vibrations, is also the subject of currentresearch.The advantages of the close cooperation betweenthe two chairs "Power Electronics" and "Drive Sys-tems" also include the cross-sectional topic ofacoustics and vibrations. Thus, the knowledge ofnoise generation could be used as a basis for the re-search of active noise compensation. With the helpof fast current controllers, time harmonic currentsare used for a targeted compensation of acousticnoise.Our research is performed in publicly fundedprojects and with a number of industrial partners,whom we would like to thank on this occasion fortheir support. The research results were presentedat various international conferences.

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Zeiteffiziente Berechnung derMagnetgeräusche

Das Geräuschspektrum elektrischer Maschinenwird durch diskrete Einzeltöne elektromagne-tischen Ursprungs im einstelligen Kilohertz-Frequenzbereich dominiert. Diese tonalen Kom-ponenten können von einem Menschen als unan-genehm wahrgenommen oder gar als Hinweis aufeine Beschädigung des Antriebssystems aufgefasstwerden. Daher ist eine Vorausberechnung der Ge-räuschemissionen eines Antriebssystems für vieleAnwendungen bereits in der Entwicklungsphasevon Bedeutung. Die Geräuschberechnung umfassthierbei die physikalischen Domänen Elektromagne-tik, Strukturdynamik und Akustik. Die vorgestellteBerechnungsmethode kombiniert analytischeVerfahren mit numerischen Simulationen.

Abb. 26: Physikalische Domänen der Geräuschberechnung.Fig. 26: Physical domains of acoustic noise calculation

Der Vorteil der Methode besteht darin, dass aufdie für einen störenden Einzelton kausal verant-wortliche Kraftanregung zurückgeschlossen werdenkann. Im Mittelpunkt der Studie steht eine Metho-de, die aus einem dreidimensionalen strukturdyna-mischen Modell Übertragungsfunktionen extrahiert.So wird die Komplexität und der Zeitaufwand fürden strukturdynamischen Berechnungsanteil erheb-lich reduziert. Dreidimensionale Effekte, wie axi-al veränderliche Eigenschwingungsformen (Moden)oder der Einfluss der Lagerung, bleiben in diesemreduzierten Modell erhalten. Im Falle der untersuch-ten permanentmagneterregten Synchronmaschinenwerden die anregenden Kräfte durch zweidimen-sionale Finite-Elemente-Simulationen bestimmt. Indiesem Zusammenhang wird gezeigt, wie der Ein-fluss der speisenden Leistungselektronik in dieGeräuschberechnung integriert werden kann. An-schließend werden die Ergebnisse der elektroma-gnetischen und der strukturdynamischen Simulatio-nen aufbereitet und miteinander verknüpft, um dieVibration der abstrahlenden Oberfläche in einemHochlauf oder für ein ganzes Betriebskennfeld zubestimmen. Mit Hilfe analytischer Strahlermodellewird dann der abgestrahlte Schalldruck berechnet.Eine Validierung der Berechnungsergebnisse wirdanhand einer experimentellen Modalanalyse und ei-ner Betriebsschwingungsanalyse zweier Beispiel-PMSMs durchgeführt. Darüber hinaus wird gezeigt,wie die Methode mit einer messtechnisch bestimm-

Time-efficient Calculation of MagneticNoise

The noise spectrum of electrical machines is dom-inated by discrete single tones of electromagneticorigin in the kilohertz range. Humans may con-sider these tones as unpleasant or even as an in-dication of damage to the drive system. Therefore,noise prediction already in the development phaseis important for many applications. Noise calculationincludes the physical domains of electromagnetics,structural dynamics and acoustics. The presentedcalculation method combines analytical calculationswith numerical simulations.The origin of the single tones can be allocated tothe exciting force-density wave. To reduce the cal-culation time and the complexity of the calculationprocess, transfer functions are extracted from a 3Dstructural design simulation. 3D effects, such asaxially variable eigenmodes or the influence of themounting, are considered in this reduced model. A2D finite element simulation is used to calculate theexciting force-density waves of the used PMSMs.Furthermore, it is shown how the influence of thepower converter can be integrated in the calcula-tion process by considering the current harmonics.At the end, the results of the electromagnetic andstructural calculations are combined to calculate thevibration on the radiating surface of the machine.This can be done for a start up or for a torque-speeddiagram. The resulting sound level is calculated us-ing analytical radiator models. [9] [10]

Abb. 27: Beispiel-PMSM mit Beschleunigungssensoren.Fig. 27: Test PMSM with acceleration sensors.

The calculation method is validated by conducting amodal analysis and an experimental vibration analy-sis on two sample PMSMs. Furthermore, the resultsare used to calculate the acoustic noise inside thevehicle by using a transfer path analysis (TPA).

[9] S. Vip, J. Hollmann, and B. Ponick. “NVH-Simulation of Salient-Pole Synchronous Ma-chines for Traction Applications”. In: 2019 In-ternational Aegean Conference on ElectricalMachines and Power Electronics (ACEMP) &

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ten Transferpfadanalyse (TPA) verbunden werdenkann, um den Einfluss der elektrischen Maschineauf die Geräuschkulisse in der Fahrerkabine einesFahrzeugs zu bestimmen. [9] [10]

2019 International Conference on Optimiza-tion of Electrical and Electronic Equipment(OPTIM). IEEE. 2019, pp. 246–253.

[10] S. Vip, J. Andresen, F. Dräger, and B. Ponick.“NVH-Simulation of Permanent Magnet Syn-chronous Traction Drives Including TorsionalMode Shapes”. In: International Conferenceon Electrical Machines (ICEM). 2020.

Aktive Geräuschkompensation mitOberschwingungsströmen

Durch die aktive Geräuschkompensation werden to-nale Komponenten des Antriebs reduziert. Die be-trachteten tonalen Komponenten werden von Max-wellschen Grenzflächenkräften angeregt und durchmechanische Resonanzen verstärkt. Bei diesenmechanischen Resonanzen schwingt die Maschi-ne mit einer charakteristischen Eigenschwingungs-form, auch Mode genannt. Eine besondere Bedeu-tung haben in permanentmagneterregten automo-bilen Hauptantrieben die radiale und die tangentia-le Mode-0. Zur Verdeutlichung sind diese in Abb.28 gezeigt. Bei der radialen Mode-0 expandiertund schrumpft der gesamte Stator. Die tangentialeMode-0 sorgt für eine Verdrehung des Stators.

Active Noise Cancelling UsingHarmonic Currents

Active noise compensation reduces tonal compo-nents of the drive. The considered tonal compo-nents are excited by Maxwell boundary forces andare amplified by mechanical resonances. At theseresonance frequencies, the machine vibrates with acharacteristic shape, also called mode. In perma-nent magnet machines for electric vehicles, the ra-dial and circumferential mode-0 are of particular im-portance. As illustration, the modes are shown inFig. 28. The radial mode-0 expands and shrinks thewhole stator. The circumferential mode-0 causesthe stator to twist.

a) Radial mode-0 vibration b) Circumferential mode-0 vibration

Abb. 28: Darstellung der radialen (a) und der tangentialen (b) Mode-0.Fig. 28: Representation of the radial (a) and circumferential (b) mode-0

Durch Einprägen von Oberschwingungsströmenwird eine Kompensation dieser Vibrationen erreicht.Diese Oberschwingungsströme werden mit Hilfevon Stromreglern eingeprägt. Zur Kompensationwird die bestehende Vibration bestimmt. Anschlie-ßend wird ein Kompensationsstrom berechnet. Die-ser erzeugt eine gleich große gegenphasige Vibra-tion. Durch die negative Interferenz reduziert sichdie Oberflächenvibration. Die Kompensation ermög-licht eine unabhängige Kompensation der radialenund der tangentialen Mode-0. Dies stellt eine Be-sonderheit des Verfahrens dar. Die Details des Ver-fahrens werden in [11] beschrieben. Zur Validierungder Ergebnisse wurde ein Ring aus 28 Beschleu-nigungssensoren verwendet. Es wurde der in Abb.27 gezeigte Aufbau verwendet. Durch die gleichzei-tige Messung an vielen Punkten kann aus den lo-

The vibrations can be compensated by injecting har-monic currents using a feedback current controller.For compensation, the existing vibration is deter-mined. Next, the compensation current is calcu-lated. The currents lead to a vibration of the samemagnitude but with opposing phase. The resultingnegative interference reduces the surface vibration.The compensation enables an independent com-pensation of the radial and circumferential mode-0vibration, a specific feature of the approach. Thedetails of the approach are given in [11]. The re-sults were verified using a ring of 28 accelerationsensors, as can be seen in Fig. 27. By simulta-neously measuring at multiple points, the behaviourof the mode-0 can be deduced for the local vibra-tions. Fig. 29 depicts the measurement result ofthe circumferential mode-0. In the picture, the cir-

26


kalen Vibrationen auf das Verhalten der Mode-0 ge-schlossen werden. Abb. 29 zeigt das messtechni-sche Ergebnis für die tangentiale Mode-0. Die tan-gentiale Mode-0 wird in Abb. 29 mit ihrer Resonanz-frequenz angeregt. Durch das Einprägen der vor-ausberechneten Kompensationsströme ist in Abb.29 eine deutliche Reduzierung der Mode-0 erkenn-bar. Damit einhergehend wird auch die von den ein-zelnen Sensoren gemessene Beschleunigung redu-ziert. Die gezeigte Reduzierung der Vibration führtauch zu einer deutlichen Reduzierung des ermittel-ten Schalldruckpegels bei der kompensierten Fre-quenz.

cumferential mode-0 is excited with its resonancefrequency. Through the injection of compensationcurrents, a significant reduction ot the mode-0 canbe observed. At the same time, the measured ac-celeration of the individual sensors is reduced, too.The presented reduction of the vibration also leadsto a significant reduction of the determined soundpressure level of the compensated frequency.

1 7 14 21 280

10

20

Number of sensorCirc

umfe

rent

iala

ccel

erat

ion

(nor

mal

ized

)

a) Without compensation

Amplitude of theacceleration sensorCircumferentialmode-0

1 7 14 21 28Number of sensor

b) With compensation

Abb. 29: Vergleich der Vibration der tangentialen Mode-0 der Ordnung 48 ohne (a) und mit (b) Kompensation.Fig. 29: Comparison of the circumferential mode-0 vibration order 48 without (a) and with (b)compensation.

Die Zusammenhänge zwischen eingeprägtemOberschwingungsstrom und verursachten Kraft-pulsationen können auch analytisch beschriebenwerden [12]. Untersuchungsgegenstand ist dasvereinfachte Modell einer permanentmagneterreg-ten Synchronmaschine mit vergrabenen Magneten.Aufgrund der magnetischen Eigenschaften die-ses Maschinentyps entsteht bekanntermaßenein signifikantes Reluktanzmoment. Die gleichenmagnetischen Eigenschaften müssen auch bei derWahl der Oberschwingungsströme berücksichtigtwerden. Insbesondere der Grundschwingungs-strom hat einen großen Einfluss auf die zu wäh-lenden Oberschwingungsströme. Die analytischenBetrachtungen bestätigen, dass eine getrennte Be-einflussung der radialen und tangentialen Mode-0möglich ist.

The relationship between injected harmonic currentand resulting force pulsation can also be describedanalytically [12]. The object of investigation is a sim-plified model of a permanent magnet synchronousmachine with buried magnets. The magnetic char-acteristics of this type of machine yield a significantreluctance torque. The same magnetic propertiesalso have to be considered when choosing the har-monic currents. Especially, the fundamental currenthas a significant influence on the choice of harmoniccurrents. The analytic considerations confirm thatan independent excitation of the radial and circum-ferential mode-0 is possible.

[11] J. Andresen, S. Vip, A. Mertens, and S. Paulus. “Compensation of the Radial and Circumferential Mode0 Vibration of a Permanent Magnet Electric Machine based on an Experimental Characterisation”. In:2020 22nd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’20 ECCE Europe). IEEE.2020, P–1.

[12] J. Andresen, S. Vip, A. Mertens, and S. Paulus. “Theory of Influencing the Breathing Mode and TorquePulsations of Permanent Magnet Electric Machines with Harmonic Currents”. In: 2020 22nd EuropeanConference on Power Electronics and Applications (EPE’20 ECCE Europe). IEEE. 2020, P–1.

27


Schwingungsverhalten elektrischerMaschinen

Die Berechnung des Schwingungsverhaltens elek-trischer Maschinen ist ein elementarer Bestandteilder akustischen Vorausberechnung. Der schallab-strahlende Teil der elektrischen Maschine bestehtaus dem Blechpaket, der Wicklung, der Isolierungsowie dem Gehäuse.Die Lage der Eigenfrequenzen, die Eigenformenund die modale Dämpfung werden durch die ein-zelnen Komponenten und deren Wechselwirkungenuntereinander signifikant beeinflusst. Um dies in zu-künftigen Berechnungen zu berücksichtigen, wirdder Einfluss der Wicklung und der Gehäusekompo-nenten auf das Schwingungsverhalten einer elektri-schen Maschine anhand experimenteller Modalana-lysen untersucht. Dazu wurden mehrere Versuchs-träger aus dem Verbundprojekt Speed4E dem Pro-duktionsprozess entnommen. Der Produktionspro-zess ist in Abb. 30 zu sehen.Bei der Modalanalyse wird ein Beschleunigungs-sensor auf dem Körper befestigt und die Struktur anmehreren Stellen mit einem Impulshammer ange-regt. Die Beschleunigung und der Krafteintrag desHammers werden gemessen und die Übertragungs-funktionen f

FRF(ω) = a(ω)

F (ω) bestimmt. Die Senso-ren und der Modalhammer sind über eine Messkar-te angeschlossen, die Messdaten werden mit derSoftware M+P Analyzer ausgewertet. Die Modala-nylse wird mit Hilfe der Software durchgeführt unddie Eigenfrequenzen, die Eigenformen und die mo-dale Dämpfung des Systems anhand der Übertra-gungsfunktionen bestimmt. Die elektrische Maschi-ne wird dafür an elastischen Bändern aufgehängt,um eine möglichst niederfrequente Anbindung zuermöglichen.Ein Vergleich der Übertragungsfunktionen der unbe-wickelten Blechpakete der ersten Produktionsstufeaus Abb. 30 sind in Abb. 31 dargestellt. Die Eigen-frequenzen, die Eigenformen und die modale Dämp-fung können durch die experimentelle Modalanaly-se in ausreichender Genauigkeit bestimmt werden.Im Bereich bis zu f = 10kHz können die Eigenfor-men ρ= 0,2,3,4 und 5 identifiziert werden. Im Lau-fe des Produktionsprozesses wird die Identifikationder Eigenformen, Eigenfrequenzen und der moda-len Dämpfung mit Zunahme der Komponenten wieVerguss und Gehäuse schwieriger.Die Wicklung hat zunächst keinen signifikanten Ein-fluss auf die Eigenfrequenzen des Statorblechpa-kets, jedoch eine stark dämpfende Wirkung. Wirddie Wicklung anschließend getränkt, wird das Ge-samtsystem steifer und die Eigenfrequenzen für dieModen ρ = 2,3,4 steigen an, während die Eigen-frequenz der Mode ρ = 0 abnimmt. Die Dämpfungnimmt durch das Tränken wieder ab, da keine Rela-tivbewegungen zwischen den einzelnen Leitern der

Vibration Behaviour of ElectricalMachines

One important step in the acoustic prediction ofelectrical machines is the calculation of the vibra-tion behaviour. The sound-radiating part of the ma-chine consists of different components: the statorcore, the winding, the impregnation and the hous-ing.Eigenfrequenices, eigenmodes, and modal dampingare influenced significantly by each of the compo-nents and their mutual interaction. To analyse thisbehaviour, experimental modal analyses are per-formed on different states of an electrical machineduring its production process. The results are usedto improve the acoustic prediction of electrical ma-chines. Fig. 30 illustrates the production process ofthe used machine. The machines were manufac-tured for the project Speed4E,

Abb. 30: Produktionsprozess.Fig. 30: Manufacturing process.

To perform the modal analysis, an acceleration sen-sor is mounted on the machine, which is then ex-cited at different positions using a modal hammer.The applied force and the resulting acceleration aremeasured and the transfer function f

FRF(ω) = a(ω)

F (ω)is determined. The sensor and the modal hammerare connected to a measurement card and the re-sults are analysed using the software M+P Analyzer.The modal analysis is conducted using the soft-ware and eigenfrequencies, eigenmodes and modaldamping are determined according the measuredtransfer functions. The electrical machine is hungon elastic bands that are fixed to a frame. This en-ables a low-frequency connection that has small in-fluence on the eigenfrequencies of the stator coresthemselves.The transfer functions of the unwound stator cores,the first step of the production process, is depicted inFig. 31. Eigenfrequencies, eigenmodes and modaldamping can be derived with sufficient accuracy. Inthe frequency range up to f = 10kHz, the eigen-modes ρ= 0,2,3,4 and 5 can be identified. Duringthe production process with an increasing number ofcomponents, the identification of eigenfrequencies,eigenmodes and modal damping becomes more dif-ficult.The winding itself has no significant influence on thevalue of the eigenfrequencies, but a strong damp-ing effect. If the winding is impregnated, the entiresystem becomes stiffer and the eigenfrequencies ofthe modes ρ = 2,3,4 increase, while the eigenfre-quncy of the mode ρ = 0 decreases. The dampingis decreased again due to the impregnation. The

28


Wicklung mehr möglich ist. Das Gehäuse hat ei-ne weitere versteifende Wirkung. Aus den Ergebnis-sen werden Hinweise für eine verbesserte Voraus-berechnung des Schwingungsverhaltens abgeleitet.

housing makes the system even stiffer. The resultscan be used to derive information for an improvedacoustic prediction of electrical machines.

ρ = 2 ρ = 3 ρ = 4$ ρ = 5 ρ = 0

Abb. 31: Übertragungsfunktionen der Statorblechpakete imVergleich.Fig. 31: Frequency response function of the stator laminations.

Strukturschwingungen inWasserkraftgeneratoren

Eine der Hauptursachen für Strukturschwingungenin elektrischen Maschinen sind wechselnde magne-tische Kräfte, die am Luftspalt der Maschine aufdas Blechpaket wirken (Abb. 32). Diese Kräfte kön-nen in Abhängigkeit vom Schwingungsverhalten desmechanischen Systems, bestehend aus Blechpa-ket, Wicklung und dem Gehäuse, zu großen Schwin-gungsamplituden führen. Das kann die Ursache fürSchäden, die Reduzierung der Lebensdauer oderunerwünschte akustische Schallabstrahlung sein.Im besonderen Fall der Wasserkraftgeneratoren, beidenen es sich in der Regel um Synchronmaschi-nen mit Schenkelpolen und einer hohen Anzahlvon Polpaaren handelt, gibt es einige Besonderhei-ten: Aus konstruktiven Gründen werden die Gene-ratoren oft mit einer Bruchlochwicklung gebaut, de-ren Urwicklung mehr als ein Polpaar umfasst. Folg-lich entstehen Luftspaltfeld- und Magnetkraftsubhar-monische, deren Winkelperiode größer als die derHauptwelle ist. Diese Kraftsubharmonischen sinddie Hauptursache für Strukturschwingungen in die-sen Maschinen, da die Eigenfrequenzen des Sys-tems für Eigenmoden niedriger Ordnungszahl imBereich der dominierenden doppelten elektrischenSpeisefrequenz (typischerweise 100Hz bzw. 120Hz)liegen.Eine weitere Besonderheit ist, dass das Statorge-häuse einen erheblichen Einfluss auf die Eigenmo-den hat. Wie in Abb. 33 dargestellt, werden Was-serkraftgeneratoren mit kleinen Drehzahlen vertikalausgeführt. Das Gehäuse besteht aus einem Trags-tem, der das Gewicht des Generators und des Turbi-nenläufers trägt und der auf dem Maschinenfunda-ment montiert ist. Das Statorjoch ist im Vergleich zu

Structural Vibrations inHydrogenerators

One of the root causes for structural vibrations inelectrical machines are alternating magnetic forcesoriginating from the air-gap field and acting on thecore laminations (Fig. 32), also called electromag-netic vibration. Such forces combined with thedynamic response of the mechanical system maycause excessive vibration of the stator core andother structures. This can be the cause of damages,life span reduction and undesirable audible noise.

Abb. 32: Auf den Stator wirkende elektromagnetische Kräfte.Fig. 32: Electromagnetic forces acting on the stator.

In the particular case of hydrogenerators, which arecommonly salient-pole synchronous machines witha high number of pole pairs, there are some pe-culiarities. Due to design restrictions, they are of-ten constructed with a fractional-slot stator winding,whose source winding comprises more than one

29


den Teilen des Tragsterns relativ dünn, wodurch dasGehäuse einen großen Einfluss auf das strukturdy-namische Verhalten hat. Das Schwingungsverhalteneiner so großen Struktur im Konstruktionsprozesszeit- und kosteneffizient zu berücksichtigen, stellt ei-ne echte Herausforderung dar. In analytischen Mo-dellen wird das Statorblechpaket als ein freier Zy-linder im Raum angenommen und das Gehäusenicht berücksichtigt. Um dies einzubeziehen, müss-ten aufwendige 3D-FEM-Berechnungen durchge-führt werden, die eine sehr hohe Anzahl von Knotenund Elementen erforderten. Zudem hängen die Er-gebnisse von der Genauigkeit der verwendeten Ma-terialeigenschaften und von den Kontaktbedingun-gen zwischen Gehäuse, Statorblechpaket und Fun-dament ab. Aufgrund der Komplexität der mechani-schen Struktur, die aus gestapelten, durch Lüftungs-kanäle getrennten Teilpaketen besteht, sind Mes-sungen zur Kalibrierung der genannten Modellei-genschaften zwingend erforderlich. Dennoch kannes schwierig sein, die Eigenmoden und Frequenzeneiner großen Maschine mit traditionellen Methodenexperimentell zu bestimmen, wie es bereits in derLiteratur berichtet wurde. Es ist möglich, dass einMangel an physischem Zugang für die Anregungmit einem Modalhammer in einer installierten Ma-schine besteht. Dies könnte dazu führen, dass dieGröße des erzeugten Impulses nicht ausreicht, umeine messbare Strukturantwort zu erzeugen, wennman Störungen durch die Schwingungsanregungenanderer Maschinen im selben Kraftwerk berücksich-tigt.

Abb. 33: Typischer Querschnitt eines Wasserkraftgenerators.Fig. 33: Typical cross-section of a hydrogenerator.

Ziel der Forschungsarbeiten ist ein besseres Ver-ständnis des Schwingungsverhaltens und der elek-tromagnetischen Schwingungsanregungen des Sta-torblechpakets in Wasserkraftgeneratoren. Dazusollen Modelle zur Berechnung der magnetischenKräfte sowie des strukturmechanischen Systemver-haltens aufgebaut und anhand von Messungen vali-diert werden. [13] [14]

pole pair. Consequently, air-gap field and magneticforce subharmonics arise, having an angular periodgreater than the one of spatial fundamental wave.These force subharmonics become a major con-cern for vibration issues in these machines, sincethe mechanical system’s eigenfrequencies for natu-ral modes with a low number of nodes tend to becloser to the typically dominant double electrical fre-quency excitation (typically 100Hz or 120Hz).Another peculiarity is that the stator frame has a sig-nificant influence on the excited eigenmodes. As il-lustrated in Fig. 33, low-speed hydrogenerators arenormally vertical machines. The housing consistsof a bearing bracket that carries the generator andturbine rotor weight and that is mounted to the ma-chine foundation. The stator yoke is relatively thincompared to the parts of the bearing bracket, whichexplains the housing’s great influence on the struc-tural dynamics behaviour. Taking into account thevibrational behaviour of such a large structure in atime- and cost-effective manner is a real challenge.Available analytical models assume the stator coreto be a free cylinder in space without consideringthe housing. Including these effects would requirecomplex 3D FEM calculations with a very high num-ber of nodes and elements. Moreover, the resultsdepend on the accuracy of the employed equivalentmaterial properties and boundary conditions at inter-faces between frame, core and foundations. Giventhe complexity of the mechanical structure, consist-ing of stacked lamination packs separated by venti-lation ducts, measurements become mandatory forcalibrating the mentioned model properties. Never-theless, it may be difficult to experimentally extractthe eigenmodes and frequencies of a large machineusing traditional methods, as already reported in lit-erature. An eventual lack of physical access for theexcitation with a modal hammer in an installed ma-chine, for example, could make the magnitude ofthe generated impulse to be insufficient to producea measurable structural response, given the noisethrough excited vibrations of other machines operat-ing in the same power plant.The general aim of research is a better understand-ing of the vibration behaviour and the electromag-netic vibrations of the stator core in hydrogenerators.This includes obtaining models for the acting mag-netic forces and the mechanical system responseas well as defining and performing suitable tests fortheir validation. [13] [14]

[13] A. De Barros and I. Chabu. “Modeling of airgap flux density for the study of stator core vibration in lowspeed synchronous machines”. In: COMPEL-The international journal for computation and mathematicsin electrical and electronic engineering (2020).

[14] A. de Barros, A. D’Agostini, T. Z. Penteado, N. Kato, A. A. Cunha, E. J. Faria, C. Haluska, F. H. Hamaji,S. I. Nabeta, and I. E. Chabu. “New method for experimental modal analysis of hydrogenerator’s statorcore using the excitation from the Poles”. In: The Journal of Engineering 2019.17 (2019), pp. 4341–4344.

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SE2A - Sustainable andEnergy-Efficient Aviation

von Janine Ebersberger, M.Sc.,Leon Fauth, M.Sc.,Ralf Keuter, M.Sc.und Malte Lorenz, M.Sc.

Um das Fliegen in Zukunft nachhaltig und ener-gieeffizient gestalten zu können, hat die TUBraunschweig das Exzellenzcluster Sustainableand Energy-Efficient Aviation ins Leben gerufen,an dem unter anderem die Leibniz UniversitätHannover und das Deutsche Zentrum für Luft- undRaumfahrt beteiligt sind. In Exzellenzclustern för-dert die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)Spitzenforschung an Universitäten in Deutschland.In der Vergangenheit wurde bereits der Sonderfor-schungsbereich SFB 880 Grundlagen des Hochauf-triebs künftiger Verkehrsflugzeuge [15], der Basisdes Exzellenzclusters SE2A war, durch die DFGunterstützt. Das Exzellenzcluster SE2A beschäftigtsich sowohl mit Luftverkehrssystemen als auch mitFlugdynamiken und Energiesystemen zukünftigerFlugzeuge. In letzterem Bereich beteiligt sich dasIAL in Zusammenarbeit mit dem Institut für Elek-trische Maschinen, Antriebe und Bahnen (IMAB)und dem Institut für Hochspannungstechnik undelektrische Anlagen (elenia) der TU Braunschweig.Im Fokus stehen die Untersuchung des elektrischenAntriebsstrangs sowie des Bordnetzes für denEinsatz in zukünftigen elektrisch angetriebenenFlugzeugen. Es werden sowohl Systemaspekte,wie beispielsweise verschiedene Topologien, Wär-meabfuhr, Redundanz und Zuverlässigkeit, als auchGrundlagenforschung im Bereich der Leistungs-halbleiter behandelt. Zusätzlich werden Methodenzur anforderungsgerechten Dimensionierung vonelektrischen Maschinen entwickelt. Dabei spieltinsbesondere eine hohe Leistungsdichte bei gleich-zeitig hohen Wirkungsgraden und die optimaleIntegration der unterschiedlichen Komponenteneine entscheidende Rolle.

SE2A - Sustainable andEnergy-Efficient Aviation

by Janine Ebersberger, M.Sc.,Leon Fauth, M.Sc.,Ralf Keuter, M.Sc.,and Malte Lorenz M.Sc.

In ordner to shape a sustainable and energy-efficient future in aviation, TU Braunschweiglaunched the Cluster of Excellence Sustainableand Energy-Efficient Aviation, in which LeibnizUniversity Hannover and the German AerospaceCenter among others joined forces. The GermanResearch Foundation (DFG) funds excellent re-search at universities in Germany in clusters ofexcellence. In the past, the Collaborative ResearchCentre CRC 880 Fundamentals of High Lift forFuture Civil Aircraft [15], which was the basis ofthe Cluster of Excellence SE2A, has already beensupported by DFG. The Cluster of Excellence SE2Ainvestigates air transport systems as well as flightdynamics and energy systems of future aircraft. Inthe last-mentioned research area, IAL participatesin cooperation with the Institute for Electrical Ma-chines, Traction and Drives (IMAB) and the Institutefor High Voltage Technology and Power Systems(elenia) of TU Braunschweig. The investigationfocuses on the electric drive train as well as on theon-board power supply system for future electricalaircraft. The study includes system aspects such asdifferent topologies, heat dissipation, redundancyand reliability as well as fundamental research in thefield of power semiconductors. In addition, methodsfor the dimensioning of electrical machines tailoredto the respective requirements are developed. Inparticular, a high power density in combination witha high efficiency and an optimal integration of thedifferent components are crucial.

M

M

M

M

Abb. 34: Zentrales EnergieversorgungssystemFig. 34: Centralized energy supply system

CHB

Cascaded H-Bridge Converter

M

M

M

MCHB CHB

CHB

Abb. 35: Dezentrales EnergieversorgungssystemFig. 35: Decentralized energy supply system

31


Bordnetz

Hauptverbraucher in elektrisch angetriebenenFlugzeugen sind die Propulsoren. Zur Versorgungwerden zwei Ansätze des Energieversorgungssys-tems verfolgt. Abb. 34 zeigt einen zentralen Aufbaumit einem Gleichspannungsnetz, das alle Quellenund Verbraucher verbindet. Alternativ dazu ist inAbb. 35 ein dezentraler Ansatz zu sehen, bei demes kein gemeinsames Gleichspannungsnetz gibt,sondern bei dem die Quellen direkt über Umrich-tersysteme an die Antriebsmotoren angeschlossensind. Durch die reduzierte Verkabelung und dasFehlen einer DC-Schiene bietet der dezentraleAnsatz die Möglichkeit, Gewicht einzusparen. Einweiterer Vorteil kann das etwaige Entfallen vonDC/DC-Wandlern sein, da die benötigte Spannungan der Maschine durch eine Serienschaltung derQuellen gestellt wird. Beide Systemansätze müs-sen hinsichtlich ihrer Eignung untersucht werden.Dabei spielt neben Gewicht und Bauraum auchdie Zuverlässigkeit eine entscheidende Rolle. Beimdezentralen Ansatz können bei Ausfall einer Quelledie in Serie geschalteten Teilsysteme weiter be-trieben werden, während beim zentralen Konzeptdie parallel angeschlossenen Teilsysteme weiterarbeiten können.

On-board power supply system

The propulsors are the main power load in electricaircraft. For their supply, two approaches of the en-ergy supply system are considered. Fig. 34 showsa centralized structure with a DC backbone, whichconnects all sources and loads. Alternatively, Fig.35 depicts a decentralized approach without a com-mon DC voltage network, but instead the sourcesare directly connected to the drive motors by con-verter systems. Due to less wiring and the absenceof a DC backbone, the decentralized approach of-fers the possibility to reduce the system’s weight. Afurther benefit could be the possible elimination ofDC/DC converters, since the required voltage at themachine is provided by connecting the sources inseries. Both system approaches have to be exam-ined regarding their suitability. In addition to weightand installation space, reliability is important. Withthe decentralized approach, if one source fails, theseries-connected subsystems can continue to op-erate, whereas with the centralized concept, theparallel-connected subsystems can remain in oper-ation.

T4

T1

T3

T2

T1

T3c

T1

T3

T1c

T2c

T2

T1

T1

T2

T1

T4

T1

T2 T3

D5

D6

Abb. 36: Umrichtertopologien von links nach rechts:2-Punkt, 3-Punkt T-Type, 3-Punkt NPC (Neutral Point Clamped), 3-Punkt ANPC (Active NPC), MMC (Modular Multilevel Converter)Fig. 36: Inverter topologies from left to right:2-Level, 3-Level T-Type, 3-Level NPC (Neutral Point Clamped), 3-Level ANPC (Active NPC), MMC (Modular Multilevel Converter

Für beide Konzepte werden verschiedene Um-richtertopologien, wie sie in Abb. 36 zu sehensind, untersucht und in Bezug auf Wirkungsgrad,Zuverlässigkeit, Volumen und Gewicht bewertet.Es werden chipflächenskalierte Modelle entwickelt,welche die genannten Größen in Abhängigkeit vonden Parametern Eingangsspannung, Ausgangs-leistung sowie Schaltfrequenz darstellen. Teil derBetrachtung sind 2-Punkt-, 3-Punkt- sowie verschie-dene Arten von modularen Multilevel-Umrichtern.2-Punkt-Umrichter weisen die geringste Komple-xität sowie den kleinsten Ansteuerungsaufwandauf und haben auf der Gleichstromseite den ge-

For both concepts, different inverter topologies,which are depicted in Fig. 36, are investigatedand evaluated regarding efficiency, reliability, vol-ume and weight. Chip area scaled models aredeveloped, which represent the abovementionedparameters as a function of the input voltage,the output power and the switching frequency.2-level- and 3-level-inverters as well as differenttypes of modular multilevel converters are part ofthe research. 2-level inverters have the lowestcomplexity and control effort as well as the lowestfilter requirements on the DC side. However, higherharmonic losses occur in the connected machine

32


ringsten Filterbedarf. Allerdings entstehen höhereOberschwingungsverluste in der angeschlossenenMaschine, und durch die steilen Spannungsflankenkann es zu Lagerströmen oder zu Überbeanspru-chung der Wicklungsisolierung kommen, welche dieMaschine beschädigen können. Auch ist die Ver-fügbarkeit von Wide-Bandgap-Halbleitern in hohenSpannungsklassen noch sehr begrenzt. Vorteilhaftkann daher der Einsatz von 3-Punkt-Umrichternsein. In diesen können Leistungshalbleiter miteiner geringeren Sperrspannung verbaut werdenund zusätzlich die Oberschwingungsverluste re-duziert sowie der Wirkungsgrad insbesonderebei hohen Schaltfrequenzen erhöht werden. ImVergleich zu 2-Punkt-Umrichtern sind Regelungund Ansteuerung nur wenig komplexer. Mit Hil-fe von modularen Multilevel-Umrichtern könnennoch höhere Spannungen, bei gleichzeitigemEinsatz von Leistungshalbleitern mit geringerenSperrspannungen, erreicht werden. Sie bieten denzusätzlichen Vorteil, kleine Spannungsstufen anden Ausgangsklemmen bereit zu stellen, sodass dieOberschwingungsverluste weiter reduziert werden.Problematisch ist ihr hohes Gewicht, das vor allemdurch die großen Modulkapazitäten verursacht wird,und die Komplexität der Steuerung.

and the steep voltage slopes can cause bearingcurrents or overstress of the winding insulationthat can damage the machine. Furthermore,the availability of wide-bandgap semiconductorsin high voltage classes is currently very limited.Therefore, 3-level inverters can be advantageoustowards 2-level inverters. In 3-level inverters, powersemiconductors with a lower blocking voltage canbe used. Additionally, the harmonic losses can bereduced and the efficiency increased, especially athigh switching frequencies. Compared to 2-levelinverters, the control is only slightly more complex.With the help of modular multilevel converters, evenhigher voltages can be achieved while using powersemiconductors with lower blocking voltages. Theyoffer the additional benefit of providing small voltagesteps at the output terminals, so that the harmoniclosses are reduced further. Problematic are theirhigh weight, which is mainly caused by the largemodule capacitances, and the complexity of thecontrol system.

Small ACloads

H2

=~~~

M

== =

=

===

=

==

Small DCloads

Avionics

~=

=~~~

E-Taxi

M=

~~~

=~~~

ECS

FCS

WIPS

==

=~~~

M

Battery

Fuel Cell

Circuit Breaker

DC/DC Converter

3ph-Inverter

Motor

HV grid (± 1.5 kV)

MV grid (± 400 V)

FCS

ECS

WIPS

Flight Control System

Environmental Control System

Wing Ice Protection System

Abb. 37: Schematische Darstellung des vorgeschlagenen BordnetzesFig. 37: Schematic representation of the proposed on-board power supply system

Für das Bordnetz in einem zentralen System wirdein Gleichspannungs-Netz vorgeschlagen, da so-mit Verluste durch Blindleistungsübertragung ver-mieden werden und Gewicht durch den Wegfallvon Gleichrichtern mit Leistungsfaktorkorrektur ein-gespart werden kann. Aufgrund der verschiedenenLasten im vollelektrischen Flugzeug bietet sich dieAufteilung in mehrere Zonen an [16]. Die Haupt-antriebe, welche bei einem Kurzstreckenflugzeug

For the on-board power supply in a centralizedsystem, a DC system is proposed, as this avoidslosses due to reactive power demand and savesweight by eliminating rectifiers with power factorcorrection. Due to the different loads in an all-electric aircraft, it is possible to divide the systeminto several zones [16]. The main propulsion units,which require a peak power of up to 4MW each fora short-haul aircraft for about 100 passengers, are

33


für ca. 100 Passagiere eine Spitzenleistung vonjeweils bis zu 4MW benötigen, werden aus ei-nem ±1.5kV-Netz gespeist. Damit kann der Lei-terquerschnitt verringert werden, allerdings tretenneue Herausforderungen im Bereich des Isoliersys-tems auf. Für die leistungselektronischen Wand-ler können MOSFETs aus Siliziumcarbid mit einerSperrspannung von 6.5kV verwendet werden. DieUntersuchung und Charakterisierung dieser neuar-tigen Bauteile ist Teil des Forschungsvorhabens.Für die weiteren flugzeugspezifischen Lasten wieTragflächen-Enteisung, Klappensteuerung, Avionikund Klimatisierung wird ein Gleichspannungsnetzmit einer Spannung von ±400V vorgesehen, wo-durch die Isolierung weniger komplex ist.

fed from a ±1.5kV grid. This allows the conductorcross-section to be reduced, but new challengesarise for the insulation. MOSFETs made of siliconcarbide with a blocking voltage of 6.5kV can beused for the power electronic converters. Theinvestigation and characterization of these noveldevices is part of the research project. For the otheraircraft-specific loads, such as wing ice protectionsystem, flight control, avionics and environmentalcontrol system, a DC system with a reduced voltageof ±400V is planned, which makes the insulationless complex.

Leistungshalbleiter

Für die hier eingesetzten Wandler könnenMultilevel-Topologien mit Gallium-Nitrid-Halbleiternverwendet werden. Durch die höhere realisierbareSchaltfrequenz wird eine Erhöhung der gravimetri-schen Leistungsdichte ermöglicht.Bei der Dimensionierung von elektrischen Sys-temen in Flugzeugen sind immer auch die be-sonderen Umweltbedingungen zu beachten. Ineiner typischen Reisehöhe für Kurzstreckenflug-zeuge von 6 km sinkt die Durchschlagfeldstärkeder Luft um über 40% in Folge des reduziertenLuftdrucks. Außerdem müssen die Eigenschaftenvon Leistungshalbleitern bei sehr niedrigen Tem-peraturen untersucht werden. Dafür werden dieLeistungshalbleiter in einem Laborprüfschrank,der Temperaturen bis zu −70C erreicht, elek-trisch charakterisiert. Zusätzlich ist der Einflussder Höhenstrahlung auf Halbleiter zu beachten.Leistungshalbleiter können durch ein einzelnesNeutron zerstört werden. Dieser Mechanismus istals Single Event Effect (SEE) bekannt. Für eineFlughöhe von 6km erhöht sich der Teilchenflussum den Faktor 70 verglichen mit Anwendungen aufder Erdoberfläche. Es wird daher deutlich, dassdie Dimensionierung eines leistungselektronischenSystems mit den Zielen einer hohen Zuverlässigkeitbei gleichzeitig hoher Leistungsdichte eine genaueKenntnis der Ausfallrate aufgrund von Höhenstrah-lung voraussetzt. Aus diesem Grund werden vomIAL Untersuchungen zur Robustheit von Halbleiterngegen Höhenstrahlung durchgeführt. Es sind so-wohl ein Langzeitversuch zur Untersuchung untermöglichst realer Belastung als auch beschleunigteMessungen zur Ableitung von Parametersensiti-vitäten geplant. Als Ergebnis wird die Ausfallratevon GaN-Transistoren in Abhängigkeit von derangelegten Spannung gewonnen. Diese Datensind entscheidend für die Dimensionierung vonleistungselektronischen Wandlern für die Luftfahrtund bisher nicht verfügbar. Die Betrachtung der

Power semiconductors

For the converters used here, multilevel topologieswith gallium nitride semiconductors can be used.The higher switching frequency that can be realizedallows an increase of the gravimetric power density.Designers of electrical systems in aircraft mustalways take into account the particular environ-mental conditions. At a typical cruising altitude of6 km for short-haul aircraft, the breakdown fieldstrength in air decreases by more than 40% dueto the reduced air pressure. Furthermore, theproperties of power semiconductors at very lowtemperatures have to be investigated. For thispurpose, the power semiconductors are electricallycharacterized in a laboratory test chamber, whichenables temperatures down to −70C. Additionally,the influence of cosmic radiation on semiconductorshas to be considered. Power semiconductors canwitness sudden destruction by the impact of asingle neutron. This mechanism is known as SingleEvent Effect (SEE). At a flight altitude of 6km, theparticle flux increases by a factor of 70 comparedto applications on the earth’s surface. It becomesevident that the design of a highly reliable powerelectronic system with high power density requiresprecise knowledge of the failure rate due to cosmicradiation. For this reason, IAL is investigatingthe robustness of semiconductors against cosmicradiation. We are planning a long-term experimentunder the most realistic conditions possible as wellas accelerated measurements to derive parametersensitivities. This test result will deliver us the failurerate of GaN transistors as a function of the appliedvoltage. These information are crucial for the designof power electronic transducers for aviation andare not available yet. Considering reliability oncomponent level is complemented by a methodicaldesign of power electronic converters with the aimof a system-inherent redundancy.

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Ausfallsicherheit auf Bauteilebene wird ergänztdurch eine methodische Dimensionierung von leis-tungselektronischen Wandlern mit dem Ziel einersysteminhärenten Redundanz.

Antriebsmotoren

Hinsichtlich der elektrischen Maschine besteht dasZiel einer Optimierung bezüglich der ParameterLeistungsdichte und Wirkungsgrad. Dies darf je-doch nicht unter der Vernachlässigung der Zu-verlässigkeit sowie der Sicherheit des Gesamtsys-tems und der technischen Umsetzbarkeit gesche-hen. Um das Ziel einer ganzheitlichen Optimierungdes gesamten Antriebskonzepts z.B. in Bezug aufdie Anzahl der Propulsoren und den Energiebe-darf zu realisieren, werden Motoren-Familien mit un-terschiedlichen technischen Ausprägungen mit ver-schiedenen Architekturen der Leistungselektronikverknüpft. Vielversprechende Technologien zum Er-reichen der Ziele sind Hochdrehzahl-Konzepte, derEinsatz additiver Fertigungsverfahren, fortschrittli-che Kühlungskonzepte z.B. auf Basis einer Phasen-Wechsel-Kühlung und ein Integrationsansatz vonMaschine, Leistungselektronik und Kühlung.Eine weitere Technologie zur Erhöhung der Dreh-momentdichte ist die direkte Leiterkühlung (sieheAbb. 38), welche in diesem Anwendungsfall beson-ders bei Synchronmaschinen sinnvoll ist [17]. Durchdiese Kühlungsmethode ist eine deutliche Strom-dichtesteigerung in der Statorwicklung möglich, dadie Stromwärmeverluste effizient abgeführt werdenkönnen und die Wicklungstemperatur somit in einemfür die Isolierstoffe zulässigen Temperaturbereichbleibt. Bei konventionellen Kühlverfahren wie derWassermantelkühlung werden Stromdichten von 12bis 18 A/mm² erreicht. Mit einer direkten Leiterküh-lung hingegen sind 60 bis 100 A/mm² realisierbar[18]. Die Nachteile dieses Ansatzes sind der mit an-steigender Stromdichte abfallende Leistungsfaktorund überproportional zunehmende Stromwärmever-luste (siehe Abb. 39). Entsprechend ist hier einKompromiss zwischen hoher Leistungsdichte undeinem guten Wirkungsgrad zu finden. Eine weite-re Möglichkeit zur Erhöhung der Stromdichte bietetder Einsatz von supraleitenden Wicklungselemen-ten. Die technische Umsetzbarkeit ist hier jedochdeutlich komplexer. Der Gewinn an Leistungsdichtedurch den Einsatz der Aggregate für die Kryoküh-lung muss im Verhältnis zu deren Gewicht stehen,um eine technisch sinnvolle Realisierung zu ermög-lichen.

Abb. 38: CAD-Modell einer Maschine mit einer direktleitergekühlten ZahnspulenwicklungFig. 38: CAD model of a machine with direct liquid-cooledtooth-coil windings

Drive motors

With regard to the electric machine, the goal is to op-timize the parameters power density and efficiency.However, this must not be done without consider-ing the reliability and safety of the overall systemand the technical feasibility. In order to realize thegoal of a holistic optimization of the entire driveconcept, e.g. with regard to the number of drivesand energy consumption, motor families with differ-ent technical characteristics are linked with differ-ent power electronic architectures. Promising tech-nologies to achieve the goals are high-speed con-cepts, the use of additive manufacturing processes,advanced cooling concepts, e.g. based on phase-change cooling, and an integration approach of ma-chine, power electronics and cooling.Another technology for increasing torque density isdirect conductor cooling (Fig. 38), which is partic-ularly suitable for synchronous machines in this ap-plication [17]. Direct conductor cooling allows a sig-nificant increase of the current density in the statorwinding, since the current copper losses can be effi-ciently dissipated and the winding temperature thusremains within a temperature range that is permis-sible for the insulating materials. With conventionalcooling methods, such as water jacket cooling, cur-rent densities of 12 to 18 A/mm² can be achieved,whereas 60 to 100 A/mm² can be realized with di-rect conductor cooling [18].Disadvantages of this approach are the power fac-tor, which decreases with increasing current den-sity, and disproportionately increasing current cop-per losses (Fig. 39). That is why we have tofind a compromise between high power density andgood efficiency. The use of superconducting wind-ing elements is another possibility of increasing thecurrent density. Its technical feasibility is certainlymuch more complex, therefore requiring an appro-priate balance between increase in power densityachieved by using cryogenic cooling aggregates andtheir weight.

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1002

4

6

8

10

12

14

Leis

tung

sdic

hte

in k

W/k

g

Stromdichte in A / mm²

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Str

omw

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kW

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

Leis

tung

fakt

or

Abb. 39: Einfluss der Stromdichte auf Leistungsdichte, Stromwärmeverluste und Leistungsfaktor bei einerSerie von Antrieben mit einer maximalen Leistung von P = 2000 kW bei einer Drehzahl von n = 2000 1/minFig. 39: Influence of current density on power density, current copper losses and power factor of a series ofdrives with a maximum output of P = 2000 kW and a speed of n = 2000 1/min

Systemoptimierung

Die Erkenntnisse aus der Optimierung des elek-trischen Antriebssystems werden anschließendan die Projektpartner am Lehrstuhl für ElektrischeEnergiespeichersysteme der Leibniz UniversitätHannover zur Optimierung der gesamten Ener-gieversorgung übergeben. Es kann somit eineoptimale Dimensionierung des Gesamtsystemseinschließlich der Netzstruktur hinsichtlich einermaximalen Energie- und Leistungsdichte unter Be-rücksichtigung der erforderlichen Ausfallsicherheiterfolgen.Um die erarbeiteten Konzepte für das Energie-versorgungssystem messtechnisch zu validieren,werden am IMAB und am IAL parallel Laborum-gebungen aufgebaut, die jeweils die zentrale unddie dezentrale Struktur nachbilden sollen. Dafürwird ein Power-Hardware-in-the-Loop-Prüfstandaufgebaut, in dem DC/DC-Wandler, Wechselrichter,Trennschalter, elektrische Maschinen und ver-schiedene Regelungsstrategien untersucht werdenkönnen. Dabei wird das Verhalten der Flugzeugsund der einzelnen Komponenten in Echtzeit be-rechnet und über eine Lastmaschine, Batterie- bzw.Brennstoffzellen-Emulatoren und Temperiergeräteabgebildet. Ziel ist unter anderem der gemeinsameBetrieb der Komponenten gemäß typischen Flug-profilen, Überlastmanövern und Fehlerszenariensowie die Untersuchung der elektromagnetischenVerträglichkeit.

System Optimization

The optimization results of the electric drive systemare then handed over to the project partners atthe Chair of Electric Energy Storage Systems ofLeibniz University Hannover for the optimization ofthe overall energy supply. This enables an optimaldimensioning of the overall system including thesystem structure with regard to a maximum energyand power density in consideration of the requiredreliability.In order to validate the concepts developed forthe energy supply system by measurements, labenvironments are set up in parallel at IMAB andIAL, one emulating the centralized and the otherone the decentralized structure. For this purpose,a power hardware-in-the-loop test bench will be setup for research on DC/DC converters, inverters,disconnectors, electrical machines and variouscontrol strategies. The behaviour of the aircraftand the individual components will be calculatedin real time and simulated by a load machine,battery/fuel cell emulators and temperature controlunits. One of the goals is the joint operation ofthe components according to typical flight profiles,overload maneuvers and failure scenarios as wellas the investigation of electromagnetic compatibility.

[15] R. Radespiel und R. Semaan. “Fundamentals of High Lift for Future Civil Aircraft”. In: 2021.

[16] H. Schefer, L. Fauth, T. H. Kopp, R. Mallwitz, J. Friebe und M. Kurrat. “Discussion on Electric PowerSupply Systems for All Electric Aircraft”. In: IEEE Access 8 (2020), S. 84188–84216.

[17] M. Henke, G. Narjes, J. Hoffmann, C. Wohlers, S. Urbanek, C. Heister, J. Steinbrink, W. Canders undB. Ponick. “Challenges and opportunities of very light high-performance electric drives for aviation”. In:Energies 11.2 (2018), S. 344.

[18] C. Wohlers, P. Juris, S. Kabelac und B. Ponick. “Design and direct liquid cooling of tooth-coil windings”.In: Electrical Engineering 100.4 (2018), S. 2299–2308.

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Fahrmotoren mitHaarnadelwicklung in Stern- oderDreieckschaltung

von Jürgen Redlich, M.Sc.und Anton Suchan, M.Sc.

Mit der steigenden Marktdurchdringung batterie-elektrischer Fahrzeuge sind die Hersteller zur Redu-zierung des Kostendrucks bestrebt, modulare Bau-kastensysteme für den elektrischen Antriebsstrangzu etablieren, um eine große Leistungsspreizungunter Wiederverwendung von Gleichanteilen zu er-möglichen. Da sowohl die Spannung als auch dieAusnutzung des Magnetkreises einer E-Maschineinnerhalb des Baukastens unverändert bleiben sol-len, muss zur sinnvollen Nutzung von Skaleneffek-ten die Maschinenlänge sowie die Windungszahl in-dividuell angepasst werden. Durch die gleichzeitigeForderung eines hohen Automatisierungsgrads imFertigungsprozess der elektrischen Maschine wer-den zunehmend Haarnadelwicklungen verwendet.Zentraler Nachteil von Haarnadelwicklungen ist, ne-ben den Stromverdrängungseinflüssen, der komple-xe Schaltungsaufwand. Dabei muss u.a. bei Ver-wendung von parallelen Zweigen die Symmetrie inder Zusammenschaltung gewahrt werden, um Aus-gleichsströme innerhalb der Zweige zu vermeiden.Darüber hinaus kommt es durch Kreuzungen derHaarnadeln zu ausladenden Wicklungsköpfen so-wie zu einer großen Anzahl an verschiedenen Haar-nadellängen und Verbindungsschweißpunkten. Ausdiesen Gründen ist die Windungszahlvariation mitRestriktionen verbunden. Durch den Einsatz vonStern- und Dreieckschaltungen kann die Anzahl anrealisierbaren Windungszahlen nahezu verdoppeltwerden.Der entscheidende Nachteil einer Dreieckschal-tung gegenüber einer Sternschaltung mit isoliertemSternpunkt ist der in den Wicklungssträngen gleich-phasig fließende Kreisstrom, der zu zusätzlichenStromwärmeverlusten in der E-Maschine führt. DieUrsachen des Kreisstroms innerhalb der Dreieck-schaltung beruhen auf Oberfeldern der Ordnungs-zahl ν′ = 3p im Luftspaltfeld, die eine gleichphasigeSpannung in den Strängen induzieren. In Zusam-menarbeit mit einem Industriepartner untersuchtdas IAL, ob die Verwendung einer Dreieckschal-tung für Fahrmotoren geeignet ist. Zur Bewertungdes elektromagnetischen Verhaltens von Fahrantrie-ben und zur genauen Vorhersage des Wirkungs-grads im Fahrzyklus ist es unumgänglich, zeitinten-sive, numerische Kennfeldberechnungen durchzu-führen. Zur Analyse des Betriebsverhaltens von E-Maschinen in Dreieckschaltung musste dabei bis-her auf eine zeitschrittbasierte FEM zurückgegrif-fen werden, in der es möglich ist, eine elektri-

Traction Motors with HairpinWinding in Star or DeltaConnection

by Jürgen Redlich, M.Sc.,and Anton Suchan, M.Sc.

With the increasing market penetration of battery-electric vehicles, manufacturers are striving to re-duce cost pressure by establishing modular sys-tems for the electric powertrain, in order to enable awide performance spread while reusing direct com-ponents. Since both the voltage and the utilizationof the magnetic circuit of an electric machine shouldremain unchanged within the modular system, themachine length as well as the number of turns ofthe winding must be adapted individually, in order totake advantage of economies of scale. Due to the si-multaneous demand for a high degree of automationin the production process of the electric machine,hairpin windings are increasingly used. The cen-tral disadvantage of hairpin windings, apart from thecurrent displacement influence, is the complex cir-cuit design. When using parallel branches, the sym-metry in the interconnection must be maintained,in order to avoid compensation currents within thebranches. In addition, crossing the hairpins resultsin end-winding overhangs as well as in a large num-ber of different hairpin lengths and connection weld-ing points. For these reasons, the variation of thenumber of turns is associated with restrictions. Bythe use of star and delta connections, the numberof realizable turns can be nearly doubled. The ma-jor disadvantage of a delta connection comparedto a star connection with insulated star point is thein-phase circulating current in the winding phases,which leads to additional ohmic losses in the elec-tric machine. Circulating current in the delta con-nection is caused by spatial harmonics with the or-der ν′ = 3p in the air-gap field, which induce anin-phase voltage in the winding phases. In coop-eration with an industrial partner, IAL is investigat-ing the suitability of delta connections for tractionmotors. To evaluate the electromagnetic behaviourof traction drives and to accurately predict the ef-ficiency in the driving cycle, it is inevitable to per-form time-consuming, numerical map calculations.For the analysis of the operating behaviour of elec-tric machines in delta connection, it was previouslynecessary to rely on a time-step-based FEM, whereit is possible to create an electrical circuit for the cal-culation model and to couple it with the FE model,since otherwise the circuit current cannot be de-tected. FE calculations, which are carried out us-ing a time-stepping method, are usually very time-consuming. A special problem arises because ofthe transient behaviour of the circular current (see

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sche Schaltung für das Berechnungsmodell zu er-stellen und mit dem FE-Modell zu koppeln, dasonst der Kreisstrom nicht erfasst werden kann. FE-Berechnungen, die im Zeitschrittverfahren durchge-führt werden, sind i.d.R. sehr zeitintensiv. Eine be-sondere Problematik ergibt sich dabei aufgrund desEinschwingverhaltens des Kreisstroms (siehe Abb.40), das die Berechnungszeit bedeutend erhöht.

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540−120

−90

−60

−30

0

30

60

90

120

Rotorposition / mech. Grad

Kre

isst

romI 0

/A

Abb. 40: Verlauf des Kreisstroms unter Verwendung dertransienten FEM am Beispiel einer PSMFig. 40: Circulating current of a PSM using the transientFEM

Im Rahmen der Untersuchungen von Dreieckschal-tungen für magnetisch hoch ausgenutzte Fahrmoto-ren wurde am IAL daher ein analytisch-numerischgekoppelter Ansatz erarbeitet, der es erlaubt,Kreisströme zeiteffizient mit Hilfe der quasistatio-nären FEM in Drehzahl-Drehmoment-Kennfeldernzu berechnen, ohne Einschwingzeiten in Kauf neh-men zu müssen (siehe Abb. 41).Mit Kenntnis des Kreisstroms können dessen tech-nische Wirkungen und das Betriebsverhalten vonSynchronmaschinen in Dreieckschaltung analysiertwerden. Die Untersuchungen zeigen, dass diezusätzlichen Stromwärmeverluste im Fahrzyklusdurch verminderte Ummagnetisierungsverluste na-hezu kompensiert werden, sodass Maschinen inStern- und in Dreieckschaltung praktisch densel-ben Zykluswirkungsgrad aufweisen. Die messtech-nische Validierung der erarbeiteten Berechnungs-methodik erfolgte an einer PSM in Dreieckschal-tung. Das Ziel der Forschung ist eine ganzheitlicheBewertung der Verwendung der Dreieckschaltungfür PSM und ESM als Fahrantriebe.

Fig. 40), which increases the calculation time sig-nificantly. In our investigations of delta connectionsfor magnetically highly utilized traction motors, wetherefore developed a coupled analytical-numericalapproach, which allows time-efficient calculation ofcirculating currents with the help of quasi-stationaryFEM in speed-torque maps without having to accepttransient recovery times (see Fig. 41).

Drehzahl n / min−1

Dre

hmom

ent M

/ Nm

Kreisstrom I0 / A

Abb. 41: Kreisstrom I0 im Drehzahl-Drehmoment-Kennfeldeiner PSM für den Einsatz im ElektrofahrzeugFig. 41: Circulating current I0 in a torque-speed map of aPSM with delta-connected windings

Knowing the circulating current, we can analyse itstechnical effects and the operating behaviour of syn-chronous machines in delta connection. The investi-gations show that the additional ohmic losses in thedrive cycle are almost completely compensated byreduced iron losses, so that machines in star anddelta connection have practically the same drive cy-cle efficiency. The validation of the developed cal-culation methodology by measurements was per-formed on a PSM in delta connection. The researchgoal is a comprehensive evaluation of the use ofthe delta connection for PSM and ESM as tractiondrives.

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HF-Effekte in elektrischenAntriebssystemen

von Mohammad Ali, M.Sc.,Jochen Dittmann, M.Sc.,Alexander Hoffmann, M.Sc.,Benjamin Knebusch, M.Sc.,Hedieh Movagharnejad, M.Sc.und Jan Ole Stockbrügger, M.Sc.

Innerhalb der letzten Jahre haben viele Herstel-ler von Leistungshalbleitern ihr Portfolio mit Wide-Bandgap (WBG)-Leistungshalbleitern aus Silizium-karbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) erweitert. Ins-besondere SiC-Bauelemente in Form von MOS-FETs sind dadurch mittlerweile auch für Anwen-dungen höherer Leistung bis in den dreistelligenKilowatt-Bereich am Markt verfügbar und stellen ei-ne Konkurrenztechnologie zu den konventionellenSilizium (Si)-Leistungshalbleitern (IGBT, MOSFET)dar. WBG-Leistungshalbleiter ermöglichen ein deut-lich schnelleres Schalten gegenüber konventionel-len Si-Halbleitern, wodurch die Schaltverluste signi-fikant reduziert werden können. Infolgedessen steigtder Wirkungsgrad, und es werden höhere Schaltfre-quenzen ermöglicht, wodurch die Größe der passi-ven Bauelemente im Umrichtersystem deutlich re-duziert werden kann. Diese Eigenschaften machendie Technologie insbesondere bei hohen Anforde-rungen an die Leistungsdichte, wie beispielsweisein der Elektromobilität, interessant. Den genann-ten Vorteilen stehen aber auch Nachteile gegen-über, die durch das schnelle Schalten der WBG-Halbleiter hervorgerufen werden: Die Flankensteil-heit der Ströme (di/dt) und Spannungen (du/dt)steigt um etwa eine Größenordnung an. Darausresuliert zum einen eine dynamische Isolations-beanspruchung aufgrund von Überspannungen imWicklungssystem, und zum anderen können Strö-me durch die Lager der elektrischen Maschine ge-trieben werden. Insbesondere die steileren Span-nungsflanken und die höheren Taktfrequenzen ver-ursachen kritische hochfrequente Anregungen underhöhen die Gleichtaktströme durch parasitäre Ka-pazitäten, was zu einem erhöhten Filteraufwandim Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit(EMV) führt. Vor diesem Hintergrund forscht dasIAL im Rahmen verschiedener Projekte an der HF-Modellbildung in elektrischen Antriebssystemen so-wie an einem besseren Verständnis der physikali-schen Wechselwirkung und an Methoden zur Sys-temsimulation und zur optimalen Systemkonfigurati-on und -dimensionierung.

HF Effects in Electrical DriveSystems

by Mohammad Ali, M.Sc.,Jochen Dittmann, M.Sc.,Alexander Hoffmann, M.Sc.,Benjamin Knebusch, M.Sc.,Hedieh Movagharnejad, M.Sc.,and Jan Ole Stockbrügger, M.Sc.

In recent years, many power semiconductor man-ufacturers have expanded their portfolio with wide-bandgap (WBG) power semiconductors made of sil-icon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN). In partic-ular, SiC components in the form of MOSFETs arenow available on the market even for higher powerapplications up to the three-digit kilowatt range, thusbeing a competitive technology to conventional sil-icon (Si) power semiconductors (IGBT, MOSFET).WBG power semiconductors allow a much fasterswitching compared to conventional Si semiconduc-tors, which significantly reduces switching losses.The result: increased efficiency and higher switch-ing frequencies which reduces the size of the pas-sive components in the converter system signifi-cantly. These properties make the technology par-ticularly interesting for systems with high power den-sity requirements like in electric mobility. Besidesthe aforementioned advantages, there are also dis-advantages caused by the fast switching of WBGsemiconductors: The current (di/dt) and voltage(du/dt) rate of change increases by about one or-der of magnitude. On the one hand, this results in adynamic insulation stress due to overvoltages in thewinding system, and on the other hand, currents canbe driven through the bearings of the electrical ma-chine. Especially, steeper voltage slopes and higherpulse frequencies cause critical high-frequency ex-citations and increase the common-mode currentsdue to parasitic capacitances, which leads to an in-creased filter effort with respect to electromagneticcompatibility (EMC). Hence, IAL is conducting vari-ous research projects on HF modelling in electricaldrive systems as well as on a better understandingof the physical interaction and on methods for sys-tem simulation and for optimal system configurationand dimensioning.

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EMV und Filter

Um den genannten Problemen entgegenzuwirken,kann der Einsatz von Ausgangsfiltern, wie z.B. ei-nem du/dt-Filter zur Begrenzung der Steilheit odereinem Sinusfilter zur Erzeugung sinusförmiger Aus-gangsspannungen, erwogen werden. Zur Unter-drückung der EMV-Störungen wird das entspre-chende Filter zwischen die schnell schaltendenWechselrichter und die elektrische Maschine und/oder die Stromversorgung geschaltet. Im Rahmeneines FVA-Projekts beschäftigt sich das IAL mit dergenauen HF-Modellierung der Leistungselektronik,der Filter und der Zuleitungen. Dabei werden mit Hil-fe von analytischen Gleichungen oder mit 3D-FEMdie parasitären Elemente und insbesondere die Ka-pazitäten gegen Erde ermittelt, um die Gleichtakt-Effekte im System korrekt zu modellieren. Hier ge-lingt derzeit eine Vorausberechnung bis ca. 15 MHz.In einem weiteren Verbundprojekt werden verschie-dene Filtertopologien (du/dt-Filter, Sinusfilter, EMV-Filter) aus Systemsicht untersucht. Die wichtigstenParameter wie EMV-Grenzwerte, maximale Filter-Volumina und maximale Spannungssteilheiten wer-den zuvor definiert. Ziel ist es, ein Systemoptimumdes SiC-Antriebsstrangs zu finden und dabei einengeeigneten Kompromiss zwischen Wirkung und Auf-wand zu erreichen. Die Faktoren sind hierbei derWirkungsgrad, das EMV-Verhalten, der Filterauf-wand und die Belastung des Isoliersystems und dieLagerung der E-Maschine. Die Freiheitsgrade sinddie Wahl der Filtertopologien auf Gleich- und aufWechselstromseite sowie die Schaltfrequenz undder Spannungsgradient. In Abb. 42 sind Filter ver-schiedener Stufen und deren beanspruchtes Volu-men über der Schaltfrequenz aufgetragen.Die in diesem Projekt vorgeschlagene Filter-Auslegungsmethodik wird auf das System mit ver-schiedenen Schaltfrequenzen angewandt, um dieAuswirkung der Schaltfrequenz auf den EMV-Filterbedarf zu untersuchen, was für den gesamtenSystementwurf wichtig ist. Die Kenntnis des EMV-Filterbedarfs und der Systemeigenschaften in Ab-hängigkeit von der Schaltfrequenz sind für die De-signer hilfreich, um das Volumen und das Verhal-ten ihres leistungselektronischen Designs vor derImplementierung eines Testaufbaus vorherzusagen.Die Verwendung eines konventionellen EMV-Filter-Auslegungsverfahrens verhindert dagegen einenflexiblen und schnellen Entwurfsprozess des ge-samten Systems.

EMC and Filter

To avoid the problems mentioned above, the useof output filters, such as a du/dt filter to limit thesteepness or a sine filter to generate sinusoidal out-put voltages, can be considered. To suppress EMCinterference, the appropriate filter is connected be-tween the fast switching inverters and the electricalmachine and/or power supply. Within the scope ofan FVA project, IAL is working on precise HF mod-elling of the power electronics, the filters and thesupply lines. Thereby, the parasitic elements andespecially the capacitances against ground are de-termined with the help of analytical equations or with3D-FEM in order to model the common-mode ef-fects in the system correctly. At present, a predictionup to approx. 15 MHz is possible. In a further jointproject, different filter topologies (du/dt filter, sinu-soidal filter, EMC filter) are investigated from a sys-tem perspective. The most important parameters,such as EMC limits, maximum filter volumes andmaximum voltage slopes, are defined in advance.The aim is to find a system optimum of the SiC pow-ertrain and to achieve a suitable trade-off betweeneffect and effort. The factors here are efficiency,EMC behaviour, filter effort and load, insulation sys-tem and bearing of the electrical machine. The de-grees of freedom are the choice of filter topologieson the DC and AC side as well as the switching fre-quency and the voltage gradient. In Fig. 42, filters ofdifferent stages and their loaded volume are plottedagainst the switching frequency.

30 40 50 60 70 80 90 100Schaltfrequenz (in kHz)

0

50

100

150

200

CM

-Dro

ssel

Vol

umen

(in

cm

3 ) 1-stufig-EMV-Filter

2-stufig-EMV-Filter

3-stufig-EMV-Filter

Abb. 42: Gegenüberstellung verschiedener EMV-Filterstufenund deren Volumina in Abhängigkeit von der SchaltfrequenzFig. 42: Comparison of different EMC filter stages and theirvolumes depending on the switching frequency

The filter design methodology proposed in thisproject is applied to the system with different switch-ing frequencies to investigate the effect of theswitching frequency on the EMC filter requirements,which is important for the overall system design.Knowledge of the EMC filter requirement and sys-tem characteristics as a function of switching fre-quency is helpful for designers to predict the volumeand behaviour of their power electronic design priorto implementing a test setup. In contrast, the use ofa conventional EMC filter design process prevents aflexible and fast design process of the entire system.

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Vorausberechnung zirkularerLagerströme

Die vom Frequenzumrichter verursachte hochfre-quente Gleichtaktspannung hat einen kapazitivenStromfluss über die parasitäre Kapazität zwischenStänderwicklung und Blechpaket zur Folge. Dieserhochfrequente Strom wird auch als Erdstrom be-zeichnet. Durch den Erdstrom entsteht ein zirkula-res Magnetfeld im Statorjoch. Dieses Feld induzierteine Spannung in der Leiterschleife aus Rotorwelle,Lager, Lagerschilden und Gehäuse. Ziel der Unter-suchungen am IAL ist es unter anderem, den ent-stehenden Erdstrom und die dadurch entstehendenzirkularen Lagerströme vorauszuberechnen und da-mit bereits im Dimensionierungsprozess die gege-benenfalls wirksamste und wirtschaftlichste Konfi-guration zur Vermeidung von Lager- oder Getrie-beschäden zu erarbeiten. Mit Hilfe eines verteiltenNetzwerks, welches die elektrischen Eigenschaftenjeder Windung der Maschine durch Ersatzparame-ter abbildet, ist eine Berechnung der auftretendenErdströme bei verschiedenen Spannungsbeanspru-chungen möglich. Die Ersatzparameter berücksich-tigen zum einen die sich ausbildenden parasitärenKapazitäten und zum anderen den Widerstand so-wie die jeweilige Induktivität der einzelnen Windun-gen. Eine Validierung der vorausberechneten zirku-laren Lagerströme wird an verschiedenen Statorendurchgeführt. Die auftretenden Spannungsverläufewerden messtechnisch erfasst und dienen als Ein-gangsgröße für das verteilte Netzwerk. Wie in Abb.43 dargestellt, zeigen Untersuchungen, dass dasMaximum des auftretenden Erdstroms, welches fürden zirkularen Lagerstrom maßgeblich ist, gut vor-ausberechnet werden kann.Durch die Berücksichtigung von induktiven Kopp-lungen zwischen den Leitern und die Berechnungvon frequenzabhängigen Ersatzparametern ist eineErhöhung der Genauigkeit der Vorausberechnungmöglich. Zukünftig soll der Modellierungsgrad mitder Berücksichtigung von weiteren auftretenden Ef-fekten, wie den kapazitiven Kopplungen zwischenden Leitern im Wicklungskopf sowie einer genaue-ren Abbildung der parasitären Kapazitäten innerhalbeiner Nut, vergrößert werden und damit eine nochbessere Vorausberechnung möglich sein.

Prediction of Circular Bearing Currents

The high-frequency common-mode voltage causedby the frequency converter results in a capacitivecurrent flowing via the parasitic capacitance be-tween the stator winding and the laminated core.The high-frequency current, which is also calledground current, creates a circular magnetic field inthe stator yoke. The magnetic field induces a volt-age in the conductor loop formed by rotor shaft,bearing, end shields and housing. The aim of theinvestigations conducted at IAL is, among otherthings, to predict the generated ground current andthe resulting circular bearing currents. A predictionallows the development of the most effective andcost-efficient configuration already in the dimension-ing process, in order to avoid bearing or gearboxdamage. With the help of a distributed network,which maps the electrical parameters of each wind-ing in the machine by means of equivalent param-eters, it is possible to predict the occurring groundcurrents for different voltage stresses. The equiv-alent parameters consider the developing capaci-tances as well as the resistance and the respec-tive inductance of the individual windings. The pre-dicted circular bearing currents are validated on var-ious stators. The voltage curves are measured andused as input variable for the distributed network.As shown in Fig. 43, the maximum occurring groundcurrent, which is decisive for the circular bearing cur-rent, can be predicted very well.

1.655 1.66 1.665 1.67 1.675 1.68 1.685 1.69 1.695 1.7 1.705Zeit in s 10-4

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Stro

m in

A

Erdstrom ICM

SimulationMessung

Abb. 43: Gegenüberstellung des berechneten und desgemessenen ErdstromsFig. 43: Comparison of the calculated and the measuredground current

The prediction accuracy can be further increasedby considering inductive couplings between the con-ductors and calculating frequency-dependent equiv-alent parameters. The aim of future research is toenhance the modelling depth by considering othereffects like capacitive couplings between the con-ductors in the end-winding region and by improvingthe mapping of parasitic capacitances in a slot, thusenabling an even better prediction accuracy.

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Ermittlung der Potentialverteilung inder Ständerwicklung

Neben der resultierenden Gleichtaktspannung er-fährt die elektrische Maschine bei Umrichterspei-sung auch eine erhöhte Beanspruchung der Wick-lungsisolierung durch die immer steiler werden-den Spannungsflanken. Unabhängig davon, ob einSpannungszwischenkreisumrichter oder eine ande-re leistungselektronische Topologie verwendet wird,ist die resultierende Änderung an den Anschluss-klemmen ein Spannungsimpuls, der ursächlich fürdie Überbeanspruchung der Wicklungsisolierung ist.Ziel von Untersuchungen am IAL ist es, diese Be-anspruchungen innerhalb der Wicklung vorauszube-rechnen, dies messtechnisch zu validieren und soKriterien für die Dimensionierung des Isoliersystemsoder eine beanspruchungsarme Gestaltung der Ma-schine zu erarbeiten.Die messtechnische Validierung wird an einem Sta-torversuchsmuster durchgeführt, wie es in Abb. 44dargestellt ist. Die Anschlüsse sind mit den einzel-nen Windungen der Spulen verbunden und ermög-lichen es so, die Spannung jeder Windung zu mes-sen.Die aus der Messung abgeleiteten Erkenntnissewerden zusammen mit dem Wissen über den Auf-bau der elektrischen Maschine in eine Methodezur Vorausberechnung der Potentialverteilung inner-halb der Wicklung überführt. Erste Ergebnisse sind,dass die Spannung zwischen den Windungen dieZwischenkreisspannung überschreiten kann, dassein Zusammenhang mit der Gegentaktimpedanz derelektrischen Maschine vorliegt und dass die Mo-dellierung als verteiltes elektrisches Netzwerk einebrauchbare Abbildung des zugrundeliegenden Feld-problems darstellt. Zukünftig soll neben der Vor-ausberechnung anhand von Konstruktionsdaten derelektrischen Maschine der Einfluss auf die Lebens-dauer sowie der Einfluss von Filtern auf die Span-nungsverteilung untersucht werden. Sind diese Ar-beiten abgeschlossen, soll es möglich sein, elektri-sche Maschinen zu entwerfen, die mit schnell schal-tenden Leistungshalbleitern ohne Filter betriebenwerden können.

Determination of the PotentialDistribution in the Stator Winding

In addition to the resulting common-mode voltage,a converter-fed electrical machine is also subjectedto increased stress on the winding insulation due tothe increasingly steep voltage slope. Regardless ofwhether a voltage source inverter or another powerelectronic topology is used, the resulting change atthe motor terminals is a voltage pulse which exces-sively stresses the winding insulation. The aim of in-vestigations done at IAL is to predict these stresseswithin the winding, to validate them by measure-ments and thus to develop criteria for the dimen-sioning of the insulation system or for a low-stressdesign of the machine.The validation by measurements is performed on astator test sample as shown in Fig. 44. The ter-minals are connected to the individual turns of thecoils, allowing the voltage of each turn to be mea-sured.

Abb. 44: Statorversuchsmuster mit Anschlüssen auf der rechtenSeite zur Messung der PotentialverteilungFig. 44: Stator test sample with connections on the rightside for measuring the potential distribution

The findings derived from the measurement, to-gether with the knowledge about the design of theelectrical machine, is transformed into a methodfor the prediction of the potential distribution withinthe winding. First results are that the voltage be-tween the windings can exceed the DC link voltage,that there is a correlation with the differential-modeimpedance of the electrical machine, and that themodelling as a distributed electrical network suitablymaps the underlying field problem. Besides the pre-diction based on design data of the electrical ma-chine, future research will deal with the influence onthe lifetime as well as with the influence of filters onthe voltage distribution. The ultimate goal is to de-sign electrical machines that can be operated withfast switching power semiconductors without filters.

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Rechnerische Bestimmung parasitärerKapazitäten

Um die jeweils vorgestellen Belastungen der elektri-schen Maschine durch Hochfrequenzanteile in derspeisenden Spannung vorausberechnen zu kön-nen, ist es nötig, die sich ausprägenden parasitär-en Kapazitäten genau zu bestimmen. In der Grob-dimensionierung von elektrischen Maschinen bie-ten sich einfache und zeiteffiziente analytische Be-stimmungsgleichungen zu deren Abschätzung an.Die Anwendung der Gleichung eines Platten- oderZylinderkondensators als einfachstes Modell führtjedoch auf Grund der Annahme eines eindimen-sionalen Feldgebiets zu signifikanten Abweichun-gen gegenüber FEM-Simulationen und Messungen.In der Elektrostatik gilt es, für die Bestimmungdes skalaren Potentialfelds in einem betrachtetenRaumgebiet mit linearen, isotropen und homoge-nen Materialien die Poisson-Gleichung zu lösen. So-fern keine Raumladungen in dem Gebiet vorhan-den sind, vereinfacht sich die Poisson-Gleichungzur Laplace-Gleichung. Diese kann mit den in derElektrostatik bekannten Verfahren der Separations-methode sowie der Spiegelungs- und der Ersatz-ladungsmethode gelöst werden. Die Auswahl ei-ner Methode erfolgt in Abhängigkeit vom betrachte-ten Feldgebiet. Bei der Separationsmethode wird indem gewählten Koordinatensystem die partielle Dif-ferentialgleichung mittels eines Produktansatzes ingewöhnliche Differentialgleichungen überführt. Ab-schließend erfolgt die Anpassung der Lösung an diegestellten Randbedingungen. Diese Methode eig-net sich zur Bestimmung der Potentialfelder zwi-schen der Ständerwicklung und dem Rotor im Aktiv-teil und im Stirnraum sowie des Potentialfelds zwi-schen der Ständerwicklung und dem Statorblech-paket im Stirnraum einer elektrischen Maschine.Mit Hilfe der Spiegelungsmethode werden in dasLösungsgebiet eingebettete dielektrische Grenzflä-chen oder ideale Leiter durch sogenannte „Spie-gelladungen“ ersetzt. Nach dieser Substitution ent-steht ein Ersatzproblem, bei dem nur noch natürli-che Randbedingungen auftreten und das resultie-rende Potentialfeld durch Superposition der entspre-chenden Werte der Potentiale der Einzelladungenermittelt werden kann. In Kombination mit der Er-satzladungsmethode zur korrekten Ermittlung desNahfelds dient die Spiegelungsmethode zur Bestim-mung des Potentialfelds zwischen den Leitern derStänderwicklung und dem Statorblechpaket. Im An-schluss an die Berechnung der skalaren Potential-felder werden die influenzierten Ladungen auf denElektroden ermittelt, und unter Anwendung der max-wellschen Kapazitätskoeffizienten erfolgt abschlie-ßend die Bestimmung der parasitären Kapazitä-ten. Die Anwendung der Methoden führt schließlichzur Bestimmung des Nutschlitz- und des Stirnrau-manteils der Ständerwicklung-Rotor-Kapazität, des

Computational Determination ofParasitic Capacitances

In order to be able to predict the loads on the elec-trical machine caused by high-frequency compo-nents in the supply voltage, it is necessary to pre-cisely determine the parasitic capacitances. In therough dimensioning of electrical machines, simpleand time-efficient analytical conditional equationscan be used for their estimation. However, the use ofthe equation of a plate or cylindrical capacitor as thesimplest model leads to significant deviations com-pared to FEM simulations and measurements due tothe assumption of a one-dimensional field region. Inelectrostatics, the Poisson equation has to be solvedfor the determination of the scalar potential fieldin a considered space region with linear, isotropicand homogeneous materials. If there are no spacecharges in the region, the Poisson equation is sim-plified to the Laplace equation. It can be solvedwith the Fourier method (separation of variables) aswell as with the method of image charges and thecharge simulation method known in electrostatics.The choice of method depends on the field regionunder consideration. With the separation method,the partial differential equation is transformed intoordinary differential equations in the selected coor-dinate system using a method of separation of vari-ables. Finally, the solution is adapted to the givenboundary conditions. This method is suitable fordetermining the potential fields between the statorwinding and the rotor in the active part and in theend-winding as well as the potential field betweenthe stator winding and the stator lamination in theend-winding of an electrical machine. With the helpof the method of image charges, dielectric interfacesor ideal conductors embedded in the solution regionare replaced by so-called "mirror charges". The re-sult is a substitution problem with natural boundaryconditions where the resulting potential field can bedetermined by superposition of the correspondingvalues of the potentials of the individual charges. Incombination with the charge simulation method forcorrect determination of the near field, the methodof image charges is used to determine the potentialfield between the conductors of the stator windingand the stator lamination. Following the calculationof the scalar potential fields, the influenced chargeson the electrodes are determined, and finally theparasitic capacitances are determined by applyingthe Maxwell capacitance coefficients. The applica-tion of the methods finally leads to the determina-tion of the slot and end-winding portion of the sta-tor winding-to-rotor capacitance, the slot and end-winding portion of the stator winding-to-stator corecapacitance and the conductor-to-conductor capac-itances.

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Nut- und des Stirnraumanteils der Ständerwicklung-Statorblechpaket-Kapazität und der Leiter-Leiter-Kapazitäten.

Bewertung vonWellenerdungssystemen

Zur Reduktion der kapazitiv eingekoppelten Lager-spannung werden im industriellen wie auch im auto-mobilen Umfeld häufig Wellenerdungssysteme ein-gesetzt. Diese verbinden die Motorwelle nieder-impedant mit dem Statorgehäuse und reduzierendamit die Spannung am Lager. Neben konven-tionellen Kohlebürsten werden hier neuere Mate-rialien wie beispielsweise Kohlenstofffasern einge-setzt, welche eine geringere Reibung aufweisen. ImPulswechselrichter-Betrieb mit steilen Schaltflankenist aber nicht nur der reine Erdungswiderstand, son-dern die Gesamtimpedanz der Verbindung von In-teresse. Die Erdungsbürste muss im Betrieb dafürsorgen, die Spannung am Lager auf ein vertretbaresMaß zu reduzieren. Das IAL befasst sich mit demEntwurf und Aufbau von Messapparatur, um einer-seits die geeigneten Messabläufe und Messverfah-ren zu vergleichen. Andererseits werden Ableittech-nologien sowie Oberflächen und deren Beschich-tung hinsichtlich der Eignung zur Ableitung unter-sucht.

Characterization of Shaft GroundingDevices

In automotive and industrial environments, shaftgrounding systems are used to reduce of the capac-itively coupled bearing voltage. These systems con-nect the motor shaft with low impedance to the statorhousing and thus reduce the bearing voltage. Be-side conventional carbon brushes, more recent ma-terials such as carbon fibres are used, which havea lower coefficient of friction and wear compared tothe conventional systems. In frequency converteroperation with steep switching edges, however, notonly the pure shaft-to-ground resistance is of inter-est. Also the total impedance of the connection mustbe investigated to ensure that the bearing voltageis reduced to an acceptable level. The institute isconcerned with the design and construction of mea-suring equipment in order to compare suitable mea-suring procedures and measuring methods for thecharacterization of shaft grounding devices. On theother hand, grounding technologies as well as shaftsurfaces and their coating are examined with regardto their suitability for grounding rotating shafts.

A-A ( 1 )

A A

BAUTEILLISTEBAUTEILNUMMERANZAHLOBJEKT

DT5-26-10-xxW-14000-600V_VAC11POR002.600.10_ShaftGrounding_Aegis12ANSI B18.22M - 6 N83ANSI B 18.2.4.1 M - M6 x 144ANSI B18.3.1M - M6x1 x 100, FSHCSM45ISO 7093-2 - 516ANSI B18.3.1M - M5x0,8 x 40, FSHCSM17POR002.100.10.1_MountingPlate18qsml-m5-4-3d-model-1-en29ISO 4762 - M8 x 35(1)410ISO 4026 - M10 x 30(1)111ISO 4161 - M10(1)112

1

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E E

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1A2

POR002_ShaftGrounding_V2nderungen Datum Name

21.07.2020

Material: Gewicht: <MASSE>

DatumName Benjamin Knebusch

Telefon 0511/762 2408

Allgemeintoleranzen:

ISO 2768-mHMa e:

ISO 14405

e-Mail [email protected]

Ma stab:

1

Benennung:

Projekt:

Teile-Nr.

IAL, Leibniz Universit t Hannover, Alle Rechte vorbehalten. Dies betrifft auch die Weitergabe, Ver ffentlichung und Reproduktion sowie kommerzielle Verwendung.

Oberfl chenrauheit:Rz 25

Werkst ckkanten:-0,2 -0,2

Nach CAD Satz zu fertigenWerkst ckkanten:

150,00

Closure

PC Housing

Pressfit Adapter for Shaft Grounding Device

POM-C Isolation forShaft Sealing

Shaft Grounding Device

Measurement Surface

PEEK Shaft Isolation

Measurement PCB

Oil Inlet

Short Mountingfor Calibration

Motor max speed 20.000 1/min

Abb. 45: Prüfstand zur Qualifizierung vonWellenerdungssystemenFig. 45: Test bench for characterization of shaft groundingdevices

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Besondere Aktivitäten | Special Activities


Neues in und von FEMAG

von Dr.-Ing. Jörn Steinbrink

Die Arbeit an FEMAG mit den Berechnungs-modulen DC, AC, ME, TH und TS bleibt eine Kon-stante. Die weitere Ausrichtung der Programmfa-milie auf aktuelle Fragestellungen für eine zukünf-tige Nutzung zeigt sich unter anderem in der Er-stellung einer neuen Oberfläche, die aus iFEMAGweiterentwickelt wurde und in einer Umbenennungder Produktfamilie mündete. Die bisherigen Modulewerden unter dem Namenszusatz Classic weiterge-führt und die Oberfläche iFEMAG wurde in FEMAGumbenannt. Eine weitere wesentliche Neuerung istdie Möglichkeit, FEMAG als ein Service als Clou-dapplikation auszuführen. Hinzugekommen ist auchdie Anwendung unter Mac OS, so dass eine breiteNutzungsmöglichkeit in allen gängigen Betriebssys-temen besteht.

Abb. 46: Geometrie Editor, neu in 2019Fig. 46: Geometry editor, new in 2019

In 2019 konnten wir noch das gewohnte Formatdes Anwendertreffens mit Unterstützung von SEWin Bruchsal durchführen. Besonders spannend undkurzweilig fand ich den Vortrag von Herrn Hillmannzu Schadensfällen elektrischer Maschinen, weil die-se über den Tellerrand der täglichen Arbeit hinaus-ging. Über einen interessanten Einsatz von FEMAGberichtete Herr Grabs mit der Gleichteilkonzeption.Die Vorbereitungen für das Treffen 2020 musstendann im Frühjahr auf ein Online-Format und da-mit auch das Programm umgestellt werden. Ver-

Novelties around FEMAG

by Dr.-Ing. Jörn Steinbrink

The work on FEMAG with the calculation modulesDC, AC, ME, TH and TS remains a constant. Thecontinuing orientation of the programme family tocurrent questions for future use is shown, amongother things, in the creation of a new user interface,which was developed from iFEMAG, resulting in arenaming of the product family. The previous mod-ules will be continued under the name affix Classicand the interface iFEMAG was renamed as FEMAG.Another significant innovation is the possibility to runFEMAG as a service as a cloud application. Theapplication under Mac OS was also added, so thatthere are many utilisation possibilitities in all com-mon operating systems.

Abb. 48: Auditorium des Anwendertreffens 2019 in BruchsalFig. 48: Auditorium of User Meeting 2019 in Bruchsal

In 2019, we were still able to hold the usual format ofthe user meeting with the support of SEW in Bruch-sal. I found Mr Hillmann’s lecture on damage toelectrical machines particularly exciting and enter-taining, because it showed us the bigger picture ofour daily work. Mr Grabs reported on an interestinguse of FEMAG with the concept of equal parts. Thepreparations for the 2020 meeting then had to bechanged to an online format in spring, and with it theprogramme. Spread over several days, the virtualuser meeting took place with a very large response,unfortunately the direct personal discussion possi-bilities were missing. Nevertheless, an important cri-terion of machine dimensioning could be dealt with,with the focus on loss calculation in permanent mag-nets. There will be further activities in this area andFEMAG users will be provided with a precise andcomprehensible tool. As in previous years, we wouldlike to thank all users for their numerous creativesuggestions and hope for further impulses for futuredevelopments. Moreover, we would appreciate ref-

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teilt auf mehrere Tage fand das virtuelle Anwen-dertreffen mit sehr großer Resonanz statt, leiderfehlten die direkten persönlichen Diskussionsmög-lichkeiten. Trotzdem konnte mit dem Schwerpunktder Verlustberechnung in Permanentmagneten einwichtiges Kriterium der Maschinendimensionierungbehandelt werden. In dem Bereich wird es weitereAktivitäten geben und den Nutzern von FEMAG einpräzises und nachvollziehbares Werkzeug zur Ver-fügung gestellt.

Abb. 47: Eine Szene des virtuellen Anwendertreffens 2020Fig. 47: One screenshot of virtual User Meeting 2020

Wir bedanken uns bei den Anwendern wie in denVorjahren für die vielen kreativen Anregungen undhoffen auf weitere Impulse zur Weiterentwicklungsowie Hinweise bei bislang unentdeckten Unstim-migkeiten. Ich bin überzeugt, dass nur gemeinsamdie Werkzeuge für unsere tägliche Arbeit verbessertwerden können. Die Ideen werden Ihnen und unsauch in Zukunft mit Sicherheit nicht ausgehen.

erences to previously undiscovered discrepancies. Iam convinced that only together we can improve thetools for our daily work. All of us will certainly not runout of ideas in the time to come.

Abb. 49: Neue Oberfläche von FEMAGFig. 49: New front end panel of FEMAG

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Lehre am IAL | Teaching at IAL


Lehrveranstaltungen

Auch auf dem Gebiet der Lehre gibt es einigeNeuigkeiten, die besondere Erwähnung verdienen.Die größten Veränderungen – zwar nicht inhaltlich,aber in Bezug auf die Lehrformate – sind natürlichden coronabedingten Einschränkungen geschuldet.Nachdem im März 2020 klar wurde, dass Präsenz-lehre zumindest bei Vorlesungen und Übungen imSommersemester unmöglich sein wird, musste inWindeseile darüber entschieden werden, welchesder möglichen digitalen Lehrformate wir für am bes-ten geeignet halten, und die technischen Voraus-setzungen für dessen Umsetzung geschaffen wer-den. Prof. Mertens und Prof. Ponick haben sich fürihre Vorlesungen für die Erstellung von Videoauf-zeichnungen entschieden, bei denen ein wissen-schaftlicher Mitarbeiter jeweils die Bildregie hatteund zwischen Kamerabild, Folienpräsentation undTafel- bzw. Smartboardanschrieb gewechselt wird,was dem Ablauf von Präsenzvorlesungen schonrecht nahekommt. Zur Beantwortung von Fragender Studierenden wurden die Videoaufzeichnungendurch Live-Sprechstunden – natürlich ebenfalls on-line – ergänzt. Die vorlesungsbegleitenden Übun-gen wurden durch die wissenschaftlichen Mitarbei-ter ebenfalls durchweg live und online gehalten, waszwar die didaktischen Möglichkeiten einschränkt,aber zumindest unmittelbare Rückfragen von Stu-dierenden zulässt. Die vorlesungsbegleitenden La-bore konnten in den virusärmeren Sommermona-ten unter Beachtung besonderer Hygieneregeln fastdurchweg in gewohnter Form vor Ort durchgeführtwerden. Während des strikteren Lockdowns hat sichProf. Mertens für eine Umstellung einiger Laborver-suche auf ein digitales Format entschieden, wobeisich die Studierenden mit Hilfe von gängigen Si-mulationsprogrammen ein besseres Verständnis derSchaltungen und Funktionsweisen erarbeiten konn-ten. Dadurch wurde die Situation im Labor entzerrt,was der Durchführung der restlichen Versuche zu-gute kam.Prof. Ebrahimi und Prof. Friebe haben sich eben-so wie unsere Lehrbeauftragten Dr. Möller und Prof.Gent für ihre Vorlesungen für ein digitales Live-Format entschieden, was bei kleineren Hörerzahlensicher eine bessere Interaktion mit den Studieren-den ermöglicht.Im Wintersemester 2020/21 gelten dieselben Rah-menbedingungen. Lediglich die Übung zur Vorle-sung Grundlagen der elektromagnetischen Energie-wandlung durfte in den ersten Wochen als Präsenz-veranstaltung angeboten werden – natürlich mit we-nigen Personen verteilt auf große Räume (das Audi-max war z. B. für ca. 90 Personen zugelassen); seit

Lectures

There is also some news in the field of teaching thatis worth mentioning. The biggest changes - not interms of content, but in terms of teaching formats -are of course due to the corona-related restrictions.After it became clear in March 2020 that face-to-faceteaching would be impossible, at least for lecturesand exercises in the summer term, a decision had tobe made in a hurry as to which of the possible digitalteaching formats we consider most suitable, and thetechnical framework for its implementation had to becreated. Prof. Mertens and Prof. Ponick decidedto create video recordings for their lectures, with aresearch assistant directing the images and alter-nating between camera images, slide presentationsand blackboard or smartboard writing, which is quitesimilar to the process of face-to-face lectures. To an-swer students’ questions, the video recordings weresupplemented by live consultations - also online, ofcourse. The exercises accompanying the lectureswere also held live and online by the research assis-tants, which limits the didactic options, but at leastallows direct questions from students. In the sum-mer months, when the virus situation was less se-vere, the labs accompanying the lectures could beheld almost entirely on site in the usual way, observ-ing special hygiene rules. During the stricter lock-down, Prof. Mertens opted to switch some of the labexperiments to a digital format, using common sim-ulation programmes to help students gain a betterunderstanding of the circuitry and how it works. Thiseased the situation in the lab, which was beneficialfor conducting the other experiments.Prof. Ebrahimi and Prof. Friebe as well as our lectur-ers Dr. Möller and Prof. Gent opted for a live digitalformat for their lectures, which certainly allows forbetter interaction with the students in smaller audi-ences.The same general conditions applied in the 2020/21winter term. Only the exercise for the lecture Ba-sics of Electromagnetical Power Conversion was al-lowed to be presented as a face-to-face event in thefirst few weeks - naturally with a few people dis-tributed over large rooms (the Audimax, for exam-ple, was licensed for approx. 90 people); since mid-November, we had to switch back to a digital liveformat here as well.There is news above all about our lectureships: WithDr. Boris Dotz, we were able to gain an expert in ve-hicle drives, enriching the English-language curricu-lum with a lecture on Electrical Machines for eAu-tomotive Traction Applications from the winter term2020/21. And our long-time lecturer Dr. Möller lec-tured on Electrical Traction and Vehicle Drives for

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Mitte November musste auch hier wieder auf ein di-gitales Live-Format umgestellt werden.Neuigkeiten gibt es vor allem rund um unsere Lehr-aufträge: Mit Dr. Boris Dotz konnten wir einenExperten für Fahrzeugantriebe gewinnen, der seitdem Wintersemester 2020/21 das englischsprachi-ge Lehrangebot mit einer Vorlesung zu ElectricalMachines for eAutomotive Traction Applications be-reichert. Und unser langjähriger LehrbeauftragterDr. Möller hat Vorlesung über Elektrische Bahnenund Fahrzeugantriebe auf eigenen Wunsch im Som-mersemester 2020 zum letzten Mal gehalten. Wirfreuen uns, dass wir mit Dr. Germishuizen einenerfahrenen Fachmann für Bahnantriebe gewinnenkonnten, der die Vorlesung ab dem Sommersemes-ter 2021 übernehmen wird.Ganz neu ist auch ein Seminar zu ethische Aspektedes Ingenieurberufs, das erstmals im Wintersemes-ter 2020/21 gemeinsam von Prof. Ponick und FrauDr. Preißler aus dem Studiendekanat der Fakultätangeboten wird und auf Anhieb so großes Interes-se auf Seiten der Studierenden gefunden hat, dasses in Zukunft voraussichtlich sowohl in Sommer- alsauch in Wintersemestern angeboten wird und daserste Lehrangebot der Fakultät zu den ethischen Di-lemmata ist, mit denen ein Ingenieur in seinem Be-rufsleben konfrontiert sein kann.All denen, die dazu beigetragen haben, den Studie-renden auch unter schwierigen Bedingungen ein at-traktives Lehrangebot bieten zu können, gilt unserherzlicher Dank.

the last time in the 2020 summer term at his own re-quest. We are pleased to have been able to recruitDr. Germishuizen, an experienced expert in tractiondrives, who will take over the lecture from the sum-mer term 2021.Another brand-new seminar is on ethical aspects ofthe engineering profession, offered for the first timein the 2020/21 winter term jointly by Prof. Ponickand Dr. Preißler from the Faculty’s Dean of Stud-ies’ Office and immediately attracting so much inter-est among students that it will probably be held inboth summer and winter term in future. It is the firstcourse offered by the Faculty on the ethical dilem-mas that an engineer can be confronted with in hisprofessional life.Our deepest thanks go to all those who have con-tributed to being able to offer students an attractivecurriculum even under difficult conditions.

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Grundlagen derelektromagnetischenEnergiewandlung

(3. Semester), V2, Ü2Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick

Inhalt:Arten von Energiewandlern, Überblick über dieverschiedenen Ausführungsformen und das Leis-tungsspektrum von elektrischen Maschinen undihre wirtschaftliche Bedeutung.Stationäres Betriebsverhalten von Gleichstrom-maschinen: Aufbau, Induktion durch Drehung,Herleitung der Induktionsverteilung im Luftspalt ausZonenplan, Strombelags- und Felderregerkurve,mechanische Kräfte, Wicklungsarten, Schal-tungsarten, Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien,Drehzahlstellung, Kommutierung, Segmentspan-nungskurve.Verallgemeinerte Theorie von Mehrphasenma-schinen: Entstehung und Überlagerung der Wech-selfelder der einzelnen Stränge, Ermittlung derzugehörigen Reaktanzen, Einführung der Ober-wellenstreuung, Gesetz über die Aufspaltung derLuftspaltleistung, Drehmomentgleichung.Analytische Theorie von Vollpol-Synchronmaschinen: Aufbau, Ersatzschaltbild,Spannungsgleichung, Leerlauf- und Kurzschluss-Kennlinie, Vorgänge bei der Synchronisation,Betrieb als über- oder untererregter Phasenschie-ber, Einfluss der Ankerrückwirkung, Zeigerbild,Stromortskurve, Drehmomentgleichung, Grenzendes stabilen Betriebs, Besonderheiten des Motor-betriebs.Analytische Theorie von Induktionsmaschinen:Aufbau, Ersatzschaltbild, Spannungsgleichungen,Stromortskurve, Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie,Schleifring- und Käfigläufer, Stromverdrängungs-läufer, Ausblick auf polumschaltbare Motoren,Anlasshilfen, Wicklungserwärmung beim Anlaufsowie Einphasen-Motoren.Einführung in die Drehzahlstellung von Induktions-und Synchronmaschinen mittels Frequenzumrich-tern.

Basics ofElectromagnetical PowerConversion

(3rd term), V2, U2Lecture: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick

Contents:Types of electromagnetic power converters,overview of different types and power spectrum ofelectrical machines and their economic significance.Steady-state performance of DC machines: design,induction via rotation, flux distribution in the airgap derived from winding diagram, distribution ofampere-turns and m.m.f curve; voltage equation;torque equation; types of windings, methods ofconnection, torque-speed characteristics, speedcontrol, commutation, segment-to-segment voltage.Generalized theory of polyphase machines: devel-opment and superimposition of alternating fieldsof the single phases, determination of the corre-sponding reactances, law concerning air-gap powersplitting, torque equation.Analytical theory of synchronous machines withcylindrical rotor: design, equivalent circuit dia-gram, voltage equation, no-load and short-circuitcharacteristic, synchronization process, over- orunderexcited phase shift operation, influence of ar-mature reaction, phasor diagram, current diagram,torque equation, limits of stable operation, specialconsiderations for motor operation.Analytical theory of induction machines: design,equivalent circuit diagram, voltage equations, cur-rent locus diagram, torque-speed characteristic,slip-ring and cage rotors, deep-bar cage motors,prospects of pole-changing motors, starting meth-ods, temperature rise in the windings during start-upand single-phase motors.Introduction to speed control of induction andsynchronous machines via frequency converters.

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Elektrische Antriebe

(4. Semester), V2, Ü1, L1Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. A. Mertens

Labore: Permanentmagneterregter Servosyn-chronmotor und Gleichstrom-Reihenschlussmotoram Gleichstrom-Pulswandler

Lernziel: Aufbauend auf den Grundlagen elek-trischer Maschinen (wird als Vorkenntnis vorausge-setzt!) vermittelt dieses Modul anwendungsorien-tierte Grundkenntnisse über drehzahlveränderlicheelektrische Antriebssysteme.

Stoffplan: Nach erfolgreichem Abschluss diesesModuls können die Studierenden

• die Struktur von geregelten elektrischen An-triebssystemen erläutern,

• typische Lasten und ihre stationäre Kennliniebeschreiben,

• Getriebe, lineare Übersetzungen und weitereAntriebselemente beschreiben,

• die Anforderungen an den elektrischen An-trieb aus der Antriebsaufgabe ableiten,

• Bestandteile und Eigenschaften vondrehzahlveränderbaren Antrieben mitGleichstrom-, Permanentmagnet-Synchron-und Induktionsmaschinen erläutern,

• Betriebsverhalten, Belastungsdaten und dieBetriebsgrenzen der genannten Antriebsar-ten für den drehzahlveränderlichen Betriebberechnen,

• Aufbau und prinzipielle Funktionsweise derleistungselektronischen Stellglieder für diegenannten Antriebe wiedergeben,

• die Struktur einer Kaskadenregelung für elek-trische Antriebe wiedergeben,

• verschiedene mechanische Gebersystemefür Drehzahl und Lage beschreiben,

• das thermische Verhalten anhand vereinfach-ter thermischer Modelle von Maschine undLeistungselektronik im Dauer- und Kurzzeit-betrieb berechnen,

• für eine Antriebsaufgabe auf Basis der qua-litativen und quantitativen Anforderungen diepassenden Komponenten auswählen und zu-sammenstellen.

Vorkenntnisse: Grundlagen elektrischer Maschi-nen (Gleichstrommaschine, Permanentmagnet-Synchronmaschine, Induktionsmaschine) z.B. ausdem Modul Grundlagen der elektromagentischenEnergiewandlung sind unerlässliche Voraussetzungfür das erfolgreiche Absolvieren der Prüfung!

Electric Drives

(4th term), V2, U1, L1Lecture: Prof. Dr.-Ing. A. Mertens

Laboratories: Permanent magnet synchronousservo motor and DC series-wound motor on DCpulse converter

Learning Target: Based on the fundamentalsof electrical machines (assumed as previous knowl-edge!), this module provides application-orientedbasic knowledge of variable-speed electrical drivesystems.

Contents: After successful completion of this mod-ule, the students can

• explain the structure of controlled electricaldrive systems,

• describe typical loads and their steady-statecharacteristics,

• describe gearboxes, linear transmission ra-tios and other drive elements,

• derive the requirements for the electric drivefrom the drive task,

• explain the components and properties ofvariable-speed drives with DC, permanentmagnet synchronous and induction ma-chines,

• calculate the operating behaviour, load dataand the operating limits of the above-mentioned drive types for variable-speed op-eration,

• describe the structure and principle func-tion of the power electronic actuators for theabovementioned drives,

• reproduce the structure of a cascade controlfor electric drives,

• describe different mechanical encoder sys-tems for speed and position,

• calculate the thermal behaviour using sim-plified thermal models of the machine andpower electronics in continuous and short-time operation,

• select and assemble the appropriate compo-nents for a drive task on the basis of the qual-itative and quantitative requirements.

Previous Knowledge: Basics of electrical ma-chines (DC machine, permanent magnet syn-chronous machine, induction machine) e.g. from themodule Basics of Electromagnetical Power Conver-sion are an indispensable prerequisite for success-fully completing the examination!

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Berechnung elektrischerMaschinen

(5. Semester), V2, Ü1, L1Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick

Labore: Unsymmetrische Induktionsmaschineund Reaktanzmessungen an einer Schenkelpol-Synchronmaschine

Inhalt:Synchronmaschinen: Konstruktiver Aufbau undKühlmethoden; Betriebsverhalten von Schenkelpol-maschinen im stationären Betrieb: Zeigerdiagramm,Ersatzschaltbild, Stromortskurve, Spannungs-gleichungen, Potier-Dreiecke; permanenterregteSynchronmotoren; synchrone Reluktanzmotoren;unsymmetrische Belastung von Synchrongenerato-ren.Einführung in die Drehfeldtheorie (Darstellungder Strombelags- und Feldkurve als unendlicheFourier-Reihen der räumlichen Wellen), zum Begriffder doppeltverketteten Streuung, Schrägung.Elektromagnetischer Entwurf.Theorie der Wicklungen: Entwurfsgesetze undBerechnung der Wicklungsfaktoren für Ganzloch-und Bruchlochwicklungen, strangverschachtelteWicklungen, polumschaltbare Wicklungen, Zahn-spulenwicklungen, Görges-Diagramme zur Bestim-mung der Felderregerkurve und des Koeffizientender doppeltverketteten Streuung. ParametrischeFelder aufgrund von Leitwertschwankungen (z.B.Sättigungs-, Exzentrizitäts- und Nutungsfelder).Theorie der Stromverdrängung in Käfigen; Feld-dämpfung durch Käfig- und Schleifringläufer;Felddämpfung durch parallele Wicklungszweige derStänderwicklung.Tangential gerichtete mechanische Kräfte (allge-meines Bildungsgesetz, asynchrone und synchroneOberwellendrehmomente); radial gerichtete mecha-nische Kräfte (Erzeugung des magnetisch erregtenLärms und mechanischer Schwingungen, einseitigmagnetischer Zug und sein Einfluss auf die biege-kritische Drehzahl der Welle).Verlustarten; zusätzliche Verluste durch Oberwel-len.

Theory of ElectricalMachines

(5th term), V2, U1, L1Lecture: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick

Laboratories: Asymmetrical induction machineand reactance measurements on a salient-polesynchronous machine

Contents:Synchronous machines: design and cooling meth-ods; performance of salient-pole machines insteady-state operation: phasor diagram, equivalentcircuit diagram, locus diagram, voltage equations,Potier diagram; permanent magnet synchronousmotors; synchronous reluctance motors; operationof synchronous generators with unsymmetricalload.Introduction into rotating field theory, harmonic leak-age, skewing. Electromagnetic design of polyphasemachines.Theory of windings: design laws and calculation ofwinding factors for integer-slot and fractional-slotwindings, imbricated windings and change-polewindings; Goerges polygon for determination of them.m.f. curve and the harmonic leakage coefficient.Parametric fields based on fluctuations of themagnetic harmonic conductivity of the air gap (e.g.saturation, eccentricity and slotting fields).Current displacement in rotor cages; field dampingby cage and slip-ring rotors; field damping byparallel paths of the stator winding.Tangential mechanical forces (generation, asyn-chronous and synchronous harmonic torques);radial mechanical forces (generation of magnet-ically excited noise and mechanical vibrations,unbalanced magnetic pull and its effect on thelateral critical speed of the shaft).Types of losses; additional losses caused by spatialharmonics.

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Elektrische Klein-, Servo- undFahrzeugantriebe

(5. bzw. 7. Semester), V2, Ü1, L1Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick

Labore (2 aus 5): Universalmotor, Wechselstrom-Induktionsmotor, permanentmagneterregter Ser-vosynchronmotor, Gleichstrommaschine undpermanentmagneterregte Synchronmaschine

Inhalt:Kostengünstige bzw. hochwertige Ausführungen,Übersicht über fremd- und selbstgeführte Motoren,grundsätzliche Konstruktionsmöglichkeiten, perma-nentmagnetische Werkstoffe.Permanenterregte Gleichstrommotoren: Aus-führungen (Walzen-, Scheiben-, Glockenläufer),Anwendungen, Magnetwerkstoffe, Betriebsverhal-ten, Drehzahlstellung.Universalmotoren: Aufbau, Anwendungen, Be-triebsverhalten, elektrische und elektronischeDrehzahlstellung, Kommutierung.Wechselstrom-Induktionsmotoren: Aufbau, An-wendungen, Wicklungsarten, Ausführungen(Kondensator-, Widerstandshilfsstrang-, Spalt-polmotor), Betriebsverhalten (verallgemeinerteSymmetrische Komponenten, Leitwertortskurve),Drehzahlstellung.Wechselstrom-Synchronmaschinen: Aufbau (Stän-der mit Nuten, ausgeprägten bzw. Klauen-Polen),Motoren mit Magnet-, Hysterese- und Reluktanz-läufer.Grundlagen der Servoantriebe (Gleichstrom-,Induktions- und Synchron-Servomotoren).Fahrzeugantriebe: Klauenpol-Generatoren (Fahr-rad, Kfz), Fahrmotoren (Arten, Besonderheiten,Energieeffizienz), Hilfsantriebe.

Small Electrical Motors, Servoand Vehicle Drives

(5th or 7th term), V2, U1, L1Lecture: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick

Laboratories (2 out of 5): Universal motor, ACinduction motor, permanent magnet synchronousservo motor, DC machine and permanent magnetsynchronous machine

Contents:Low-priced and high-quality designs, overviewof externally commutated and self-commutatedmotors, basic design concepts, permanent magnetmaterials.Permanent magnet DC motors: designs (drum-type, disc-type and bell-shaped rotors), applications,magnet materials, performance, speed control.Universal motors; design, applications, perfor-mance, electric and electronic speed control,commutation.Single-phase induction motors: design, applica-tions, winding types, designs (capacitor motor,resistance and auxiliary winding motor, split-polemotor), performance (generalized symmetricalcomponents, permeance locus diagram), speedcontrol.Single-phase synchronous machines: design (sta-tor with slots, distinct poles or claw poles), motorswith permanent magnet, hysteresis and reluctancerotor.Basics of servo drives (DC, induction and syn-chronous servo motors).Vehicle drives: claw-pole generators (bicycles,motor vehicles), traction motors (types, specificfeatures, energy efficiency), auxiliary motors.

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Elektronisch betriebeneKleinmaschinen

(6. bzw 8. Semester), V2, Ü1Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick

Inhalt:Grundsätzliche Eigenschaften und Vergleich vonSchritt- und Elektronik-Motoren; Magnetwerkstoffe.

Schrittmotoren: Ausführungen (Magnet-, Reluktanz-oder Hybridläufer), Betriebsarten, Kenngrößen,Ansteuerung, Dämpfungsverfahren, dynamischesBetriebsverhalten.

Elektronikmotoren: Ausführungen mit verschiede-nen Strangzahlen, Walzen- und Scheibenläufer,Motoren mit genutetem Ständer oder Luftspalt-wicklungen, Hybridmotoren, Switched-Reluctance-Motoren; Betriebsverhalten.

Rotorlagegeber: Inkremental- und Absolutgeber,magnetische oder optische Wirkprinzipien, Resol-ver.

Elektronische Schaltungen für Kleinmotoren:Netzgeführte Stromrichter (ungesteuerte Gleich-richter, halbgesteuerte Brücken) und selbstgeführteStromrichter (Gleich- und Wechselstromsteller,Phasenanschnitt-Steuerung)

Schutzarten und Normen

Berechnungsverfahren und –werkzeuge für Klein-maschinen (numerische Feldberechnung, Simulati-on transienter Vorgänge)

Small Electronically ControlledMotors

(6 or 8th term), V2, U1Lecture: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick

Contents:Basic features and comparison of stepping andB.L.D.C. motors; magnet materials.

Stepping motors: designs (PM, reluctance or hybridrotor), operating modes, characteristics, control,damping methods, dynamic performance.

B.L.D.C. motors: designs for different number ofphases, drum-type and disktype rotors, motors withslotted stator or air-gap windings, hybrid motors,switched reluctance motors; performance.

Rotor position sensors: incremental and absolutevalue sensor, magnetic or optic principles of func-tioning, resolver.

Electronic supply circuits for small machines and ac-tuators: line-commutated converters (uncontrolledrectifiers, half-controlled bridges) and selfcommu-tated converters (DC and AC power controller,phase control)

Types of protection and standards

Procedure and tools for the analysis of small ma-chines (FEM analysis, dynamic simulations)

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Elektrische Maschinen füreAutomotive-Traktionsanwendungen*

Studium Generale, V2, S2Vorlesung, Journal Club: Dr.-Ing. Boris Dotz

Inhalt:Die Vorlesung Elektrische Maschinen für eAuto-motive Traction Applications ermöglicht es denStudierenden, die wesentlichen Anforderungensowie die konstruktiven Herausforderungen fürelektrische Maschinen im Kontext des eAutomotive-Marktes zu verstehen. Neben den Grundlagen undFunktionsprinzipien elektrischer Maschinen werdenverschiedene Designaspekte, Fertigungstechnikenund die Produktionskosten behandelt. Grundlegen-de und neue Technologien werden vorgestellt undentsprechend den Marktanforderungen verglichen.

* wird auf Englisch abgehalten

Electrical Machines foreAutomotive TractionApplications*

Studium Generale, V2, S2Lecture, Journal Club: Dr.-Ing. Boris Dotz

Contents:The lecture Electrical Machines for eAutomo-tive Traction Applications enables students tounderstand key requirements as well as designchallenges for electrical machines in the context ofthe eautomotive market. Apart from fundamentalsand working principles of electrical machines,several design aspects, manufacturing techniquesand product costs are covered. Basic and new tech-nologies are presented and compared according tomarket demands.

* held in English language

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Elektrische Antriebssysteme

(4., 6. bzw. 8. Semester), V2, Ü1, L1Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick

Labore (2 aus 4): Induktionsmaschine mit Kä-figläufer am Pulsumrichter, doppeltgespeisterAsynchrongenerator, Drehstrohm Induktionsma-schine und Vollpolsynchronmaschine

Inhalt:Betriebsverhalten von Induktionsmaschinen unterBerücksichtigung des Ständerwicklungswider-stands.Besonderheiten der verschiedenen Antriebsartenbeim Einschalten und beim Hochlauf: Betrach-tung der Stoßgrößen, der Erwärmung und derDrehmoment-Drehzahl-Kennlinie einschl. Sattelmo-mentbildung; Anlasshilfen.Elektrische Bremsverfahren bei den unterschied-lichen Maschinenarten: Gegenstrombremsen,Gleichstrombremsen, generatorisches Nutzbrem-sen.Drehzahlstellung bei Induktions- und Synchron-motoren: Erläuterung und Vergleich verschiedenerAntriebssysteme bezüglich zusätzlicher Verluste,Erzeugung von Pendelmomenten und Kosten.Erwärmung und Kühlung: Kühlarten, Betriebsarten,Anforderungen an die Energieeffizienz, Ermittlungder stationären und der transienten Wicklungser-wärmung.Einführung in die Berechnungsverfahren der sym-metrischen Komponenten für Augenblickswerte undder Park-Transformation (Spannungsgleichungen,Augenblickswert des elektromagnetischen Dreh-momentes) zur Simulation transienter Vorgänge.Nachbildung des mechanischen Wellenstranges(mehrgliedrige Schwinger, Betrachtungen zurmechanischen Dämpfung), Berücksichtigung dertransienten Stromverdrängung; Diskussion derwichtigsten Ausgleichsvorgänge in Induktions-und Synchronmaschinen (Einschalten, symmetri-sche und unsymmetrische Klemmenkurzschlüsse,Spannungs-Wiederkehr, Netzumschaltung bzw.Fehlsynchronisation); Reaktanzen und Zeitkonstan-ten von Synchronmaschinen.Konstruktive Einzelheiten: Bauformen und Küh-lungsarten, explosionsgeschützte Maschinen,gegenseitige Beeinflussung von Kupplungs- undLagerungsarten; Entstehung und Vermeidung vonWellenspannungen und Lagerströmen.Betrachtungen zur Geräuschentwicklung vonAntriebssystemen und ihrer Beurteilung.

Electrical Drive Systems

(4th, 6th or 8th term), V2, U1, L1Lecture: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick

Laboratories (2 out of 4): Induction machinewith squirrel-cage rotor on pulse converter, double-fed asynchronous generator, three-phase inductionmachine and synchronous machine with cylindricalrotor

Contents:Performance of induction machines considering thestator winding resistance.Special considerations for start-up and accelerationof induction and synchronous motors: inrush char-acteristics, current and torque peaks, temperaturerise during start-up and torque-speed characteris-tics.Electric braking methods for induction machines:reverse field braking, DC braking, regenerativebraking.Speed control in induction and synchronous ma-chines: description and comparison of differenttypes of drive systems with regard to additionallosses, generation of pulsation torques and cost.Temperature rise and cooling: cooling methods,operating modes, demands on energy efficiency,determination of steady-state and transient temper-ature rise in the windings.Introduction into the calculation scheme of sym-metrical components for instantaneous valuesand the Park transformation (voltage equations,instantaneous value of electromagnetic torque) forsimulation of transient phenomena. Simulation ofmechanical shafting, influence of mechanical damp-ing, modeling of transient current displacement inthe rotor cage; discussion of the most importanttransient phenomena in induction and synchronousmachines (starting, symmetrical and unsymmetricalshort circuits, voltage recovery, transfer of bus-baror incorrect synchronization); reactances and timeconstants of synchronous machines.Details of mechanical design: types of constructionand cooling methods, explosion-proof machines,mutual effects of different coupling and bearingassemblies; generation and avoidance of shaftvoltages and bearing currents.Investigation and evaluation of acoustic noiseemissions.

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Ethische Aspekte desIngenieurberufs

(4. Semester), S1Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick, Dr. InskePreißler

Inhalt:In diesem Seminar werden grundlegende Ansätzeund Methoden einer interdisziplinären, angewand-ten Ethik behandelt. Dabei werden ethische, sozialeund kulturelle Dimensionen der Ingenieurwissen-schaften und Fragen der Verantwortung anhandvon Texten und Fallstudien diskutiert und bewertet.Voraussetzung ist die Bereitschaft, Texte zu lesenund sich aktiv in Diskussionen einzubringen. DieStudierenden erhalten die Möglichkeit, Themen zurecherchieren, eigene Themenwünsche einzubrin-gen und das Seminar dadurch aktiv mitzugestalten.Die Studierenden gewinnen anhand von Textenund Fallstudien aus unterschiedlichen Bereichenein vertieftes Verständnis für die gesellschaftli-che Bedeutung der Ingenieurswissenschaften.Dabei wird bei jedem Termin ein neues Themawie beispielsweise Ethikkodizes für Ingenieure,Chancen und Risiken künstlicher Intelligenz oderForschung für militärische Zwecke behandelt, wobeidie Diskussion durch Studierende vorbereitet undmoderiert wird.

Ethical Aspects of theEngineering Profession

(4th term), S1Lecture: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick, Dr. InskePreißler

Contents:This seminar addresses basic approaches andmethods of an interdisciplinary, applied ethics.Ethical, social and cultural dimensions of engineer-ing sciences and questions of responsibility arediscussed and evaluated on the basis of reportsand case studies. The willingness to read texts andactively participate in discussions is a prerequisite.The students get the possibility to research topics,introduce their own topic requests and thus toactively participate in shaping the seminar. Thestudents gain a deeper understanding of the socialsignificance of engineering sciences by analysingtexts and case studies from different fields. Aspecific topic, such as ethical codes for engineers,opportunities and risks of artificial intelligence orresearch for military purposes, is addressed at eachsession, with the discussion being prepared andmoderated by students.

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Leistungselektronik I

(5. Semester), V2, Ü1, L1Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. A. Mertens

Labore: Gleichstromwandler und Wechselstrom-steller

Lernziel:Das Modul vermittelt grundlegende Kenntnisse derFunktionsprinzipien, Bauelemente und Schaltun-gen der Leistungselektronik. Nach erfolgreichemAbschluss der LV können die Studierenden

• Aufbau und Eigenschaften von Leistungs-halbleitern darlegen,

• aktive und passive Bauelemente für die jewei-lige Anwendung passend auswählen und di-mensionieren,

• netzgeführte Stromrichter und ihr Betriebs-verhalten sowie ihre Netzrückwirkungen cha-rakterisieren und berechnen,

• einfache selbstgeführte Stromrichter (Gleich-stromsteller) konfigurieren und berechnen,

• dreiphasige Wechselrichter erläutern und fürden jeweiligen Einsatzfall berechnen,

• einfache Systeme aus mehreren Stromrich-tern konfigurieren.

Stoffplan:Leistungselektronik (LE) zur Energieumformungmit hohem Wirkungsgrad, Anwendungsfelder derLE, Bauelemente der LE, netzgeführte Gleich-richter, Netzrückwirkungen, Gleichstromsteller,Wechselrichter mit eingeprägter Spannung, zusam-mengesetzte Stromrichter und Umrichter.

Vorkenntnisse:Grundlagen der Elektrotechnik (notwendig), Grund-lagen der Halbleitertechnik (empfohlen)

Power Electronics I

(5th term), V2, U1, L1Lecture: Prof. Dr.-Ing. A. Mertens

Laboratories: DC-DC and AC-DC converters

Learning Target:The module provides basic knowledge of the func-tional principles, components and circuits of powerelectronics. After successful completion of thecourse, students will be able to

• describe structure and properties of powersemiconductors,

• select and dimension active and passive com-ponents appropriately for the respective appli-cation,

• characterise and calculate line-commutatedpower converters and their operating be-haviour as well as their mains interaction,

• configure and calculate simple self-commutated power converters (DC chop-pers),

• explain three-phase inverters and calculatethem for the respective application,

• configure simple systems consisting of sev-eral power converters.

Contents:Power electronics (LE) for energy conversion withhigh efficiency, fields of application of LE, compo-nents of LE, line-commutated rectifiers, mains inter-action, DC choppers, three-phase voltage source in-verters, compound power converters and inverters.

Previous Knowledge:Fundamentals of electrical engineering (required),fundamentals of semiconductor engineering (rec-ommended).

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Leistungselektronik II

(6. bzw. 8. Semester), V2, Ü1, L1Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. A. Mertens

Labore: Zweipunkt- und Schwingkreisumrich-ter

Lernziel:Aufbauend auf den Grundlagen aus Leistungselek-tronik I werden in diesem Modul vertiefende undanwendungsorientierte Kenntnisse über leistungs-elektronische Schaltungen und Steuerverfahrenvermittelt. Nach erfolgreichem Abschluss desModuls können die Studierenden

• Raumzeiger-Modulationsverfahren für drei-phasige Pulswechselrichter darstellen und ih-re Algorithmen an Beispielen durchführen,

• nichtideale Eigenschaften von dreiphasigenPulswechselrichtern erläutern, die Auswir-kungen charakterisieren und Gegenmaßnah-men benennen,

• leistungselektronische Schaltungen mitSchwingkreisen berechnen sowie die Kon-zepte des Soft Switching erläutern,

• einfache potentialtrennende Gleichspan-nungswandler sowie die darin verwendetenmagnetischen Bauteile berechnen,

• Stromrichterkonzepte für hohe Spannungenund Leistungen wiedergeben.

Stoffplan:Steuerverfahren für Pulswechselrichter, Nicht-ideale Eigenschaften von Pulswechselrichtern,Schwingkreis- und Resonanz-Stromrichter, Betriebmit hoher Schaltfrequenz, Schaltnetzteile mit Po-tentialtrennung, selbstgeführte Umrichter hoherLeistung.

Vorkenntnisse:Leistungselektronik I oder entsprechende Kenntnis-se und Kompetenzen

Power Electronics II

(6th or 8th term), V2, U1, L1Lecture: Prof. Dr.-Ing. A. Mertens

Laboratories: Two-level and parallel-tuned in-verter

Learning Target:Based on the fundamentals of Power ElectronicsI, the module provides detailed and application-oriented knowledge of power electronic circuits andcontrol methods. After successful completion of thecourse, students will be able to

• present space vector modulation methods forthree-phase voltage source inverters and per-form their algorithms on examples,

• explain non-ideal properties of three-phasevoltage source inverters, characterise the ef-fects and name countermeasures,

• calculate power electronic circuits with os-cillating circuits and explain the concepts of"soft switching",

• calculate simple isolating DC/DC convertersand the magnetic components used in them,

• reflect power converter concepts for high volt-ages and powers.

Contents:Control methods for voltage source inverters, non-ideal properties of voltage source inverters, os-cillating circuit and resonance power converters,operation with high switching frequency, isolatedDC/DC converters, self-commutated converters ofhigh power.

Previous Knowledge:Power Electronics I or equivalent knowledge andcompetences

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Einführung in das deutsche undeuropäische Energierecht

(5. Semester), V2Vorlesung: Hon.-Prof. Dr. jur. K. Gent, M.L.E.

Inhalt:Der Energiemarkt ist ein spezieller Markt. Aufgrundder europäischen Vorgaben, die mit dem EnWG2005 in nationales Recht umgesetzt wurden, istdieser Markt weitgehend reguliert. Die Teilnehmerwerden mit den europäischen und nationalenEnergie-Rechtsgrundlagen vertraut gemacht, eswerden mögliche Umsetzungsdefizite aufgezeigtsowie die energienetzbezogenen Ansprüche undVerpflichtungen erläutert. Die Vorlesung wird dabeiwesentlich durch die gemeinsame Erarbeitung vonLösungen zu aktuellen Praxisfällen geprägt.Vorlesungsziel ist es, den Teilnehmern die Fähigkei-ten zu vermitteln, sich in diesen besonderen Markteinzuarbeiten.

Introduction into German andEuropean Energy Law

(5th term), V2Lecture: Hon.-Prof. Dr. jur. K. Gent, M.L.E.

Contents:The energy market is a very specific one. In accor-dance with the European regulations implementedby the EnWG 2005 into German law, this market isregulated to a large extent. Students will be taughtabout European and national "Energy Law". Possi-ble deficiencies in the implementation of Europeaninto national law are shown, and requirements andobligations related to energy supply are explained.The lecture basically focuses on developing solu-tions for case scenarios currently found in practice.Goal of this lecture is to provide students with theknowledge necessary to become familiar with thisspecific market.

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Leistungshalbleiter undAnsteuerungen


Labor: Schaltversuch

Lernziel: Das Modul vermittelt vertiefendes undanwendungsorientiertes Wissen über die Funkti-onsweise von Leistungshalbleitern sowie über dieAbhängigkeiten der Betriebseigenschaften vominneren Aufbau sowie von der äußeren Beschal-tung der Leistungshalbleiter. Nach erfolgreichemAbschluss können die Studierenden

• die Funktionsweise von p-n-Übergängen er-läutern,

• die Durchbruchspannung von p-n-Übergängen aus wesentlichen Designpara-metern berechnen,

• den inneren Aufbau verschiedener Leistungs-halbleiter erläutern,

• dynamische Vorgänge in Leistungshalbleiterndarstellen,

• Zusammenhänge zwischen Beschaltungsda-ten und dem Schaltverhalten von MOSFETund IGBT erläutern,

• Aufbau- und Verbindungstechnologien umrei-ßen,

• aktuelle Entwicklungen bei Wide-Bandgap-Leistungshalbleitern wiedergeben.

Stoffplan:

• Unsymmetrischer p-n-Übergang

• p-s-n-Diode

• Raumladungszone und Sperrverhalten;Sperrschichtkapazität

• Durchlassverhalten und Trägerspeichereffekt

• Zusammenhänge zwischen Abmessungenund elektrischen Grenzdaten

• Thyristor, GTO und IGCT

• Feldeffekttransistor und IGBT

• Beschaltung, Ansteuerung und Schaltverhal-ten

• Aufbau und Eigenschaften von modernenMOSFETs und IGBTs

• Wide-Bandgap-Bauelemente

Vorkenntnisse: Notwendig: Leistungelektronik I,Halbleiter-Grundlagen z.B. aus Werkstoffkunde.

Power Semiconductors and GateDrives


Laboratory: Switching Experiment

Learning Target: The module provides in-depthand application-oriented knowledge about thefunctioning of power semiconductors as well as thedependencies of the operating characteristics on theinternal structure and the external circuitry of powersemiconductors. After successful completion, thestudents can

• explain the functioning of p-n junctions,

• calculate the breakdown voltage of p-n junc-tions from essential design parameters,

• explain the internal structure of differentpower semiconductors,

• illustrate dynamic processes in power semi-conductors,

• explain the correlation between circuit dataand the switching behaviour of MOSFETs andIGBTs,

• outline packaging and layout methods,

• reflect current developments in wide bandgappower semiconductors.

Contents:

• asymmetric p-n junction

• p-s-n diode

• space charge region and junction behaviour;junction capacitance

• Conduction behaviour and carrier memory ef-fect

• Relationships between dimensions and elec-trical limit data

• Thyristor, GTO and IGCT

• Field effect transistor and IGBT

• Circuitry, control and switching behaviour

• Structure and properties of modern MOS-FETs and IGBTs

• Wide bandgap devices

Previous Knowledge: Necessary: Power electron-ics I, semiconductor basics e.g. from materials sci-ence.

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Regelung elektrischerDrehfeldmaschinen


Labor: Feldorientierte Regelung

Lernziel:In diesem Modul werden anwendungsorientierte,vertiefende Kenntnisse zur Regelung von elek-trischen Antrieben vermittelt. Nach erfolgreichemAbschluss des Moduls können die Studierenden

• die Drehmoment-, Drehzahl- und Lagerege-lung eines elektrischen Antriebs erläuternund parametrieren,

• das Konzept der Raumzeiger darstellen undinterpretieren,

• stationäre und rotierende Koordinatensyste-me ineinander umrechnen,

• ein Modell der Induktionsmaschine in rotor-flussfesten Koordinaten wiedergeben und er-läutern,

• die feldorientierte Regelung von Induktions-maschinen darstellen sowie wichtige Ein-flussgrößen charakterisieren,

• verschiedene Verfahren zur geberlosen feld-orientierten Regelung wiedergeben,

• die feldorientierte Regelung derPermanentmagnet-Synchronmaschineerläutern.

Stoffplan:Regelungstechnisches Modell, Drehmoment-,Drehzahl- und Lageregelung der Gleichstrom-maschine, regelungstechnisches Modell derDrehfeldmaschinen, Prinzip der Feldorientierung,feldorientierte Regelung der Asynchronmaschi-ne, Maschinenmodelle und Betriebsverhalten,Regelung der Synchronmaschine.

Vorkenntnisse:Notwendig: Grundlagen der elektromagnetischenEnergiewandlung (Elektrotechniker) oder Elektri-sche Antriebe (Mechatroniker). Empfohlen: Leis-tungselektronik I

Control of Electrical Three-phaseMachines


Laboratory: Field-oriented control

Learning Target:In this module, application-oriented, in-depth knowl-edge of the control of electric drives is taught. Aftersuccessful completion of the module, the studentscan

• explain and parameterise the torque, speedand position control of an electric drive,

• represent and interpret the concept of spacephasors,

• convert stationary and rotating coordinatesystems into each other,

• reproduce and explain a model of the induc-tion machine in coordinates fixed to the rotorflux,

• describe the field-oriented control of induc-tion machines and characterise important in-fluencing variables,

• describe different methods for sensorlessfield-oriented control,

• explain the field-oriented control of the per-manent magnet synchronous machine.

Contents:Dynamic model, torque, speed and position controlof DC machine, dynamic model of three-phase ma-chines, principle of field orientation, field-orientedcontrol of the asynchronous machine, machinemodels and operating behaviour, control of the syn-chronous machine.

Previous Knowledge:Required: Fundamentals of ElectromagneticalPower Conversion (Electrical Engineering) or Elec-trical Drives (Mechatronics). Recommended: PowerElectronics I

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Elektrische Bahnen undFahrzeugantriebe

(6. bzw. 8. Semester), V2, S2Vorlesung: Dr.-Ing. G. Möller

Antriebstechnik für elektrische Bahnen und Stra-ßenfahrzeuge ist ein Beispiel für eine komplexetechnische Aufgabenstellung, bei der die Auslegungvom Zusammenspiel zwischen den elektrischen,elektromechanischen und mechanischen Kompo-nenten abhängt.

Lernziel:

• den Aufbau und die Hauptbestandteile eineselektrischen Traktionssystems kennen

• den Einfluss technologischer Neuerungen aufdie Auswahl der optimalen Systemlösung er-kennen

• die in den Grundlagenvorlesungen erworbe-nen Kenntnisse auf die Traktionssysteme an-wenden

• eine grundlegende fahrdynamische Ausle-gung für Traktionsantriebe entwerfen können

Inhalt:In der Vorlesung werden die Grundlagen der elek-trischen Antriebstechnik für Traktionsanwendungenbehandelt. Das Gebiet umfasst dabei Fahrzeugevon der Straßenbahn bis zum Hochgeschwindig-keitszug und elektrisch angetriebene Straßenfahr-zeuge. Es wird eine Übersicht der technologischenEntwicklung und des aktuellen Stands der Technikgegeben. Die Grundzüge der Auslegung von Fahr-zeugantrieben von den Anforderungen bis zur Di-mensionierung werden erläutert.

1. Entwicklung der elektrischen Traktion

2. Aspekte der Energieversorgung elektrischerBahnen

3. Fahrdynamik und Fahrwerk

4. Antriebstechnik mit Kommutatormotoren

5. Antriebstechnik mit Drehstrommotoren

6. Konventionelle Bahnen

7. Unkonventionelle Bahnen

8. Straßenfahrzeuge mit elektrischem Antrieb

Optional kann dieses Modul durch die Teilnahmean einem englischsprachigen Journal Club ergänztwerden, in dem sich Studierende die Inhalte wissen-schaftlicher Veröffentlichungen unter Anleitung ei-nes Doktoranden/einer Doktorandin erarbeiten, prä-sentieren und diskutieren.

Electrical Traction and VehicleDrives

(6th or 8th term), V2, S2Lecture: Dr.-Ing. G. Möller

Drive technology for electric railways and roadvehicles is an example of a complex technicaltask, where the design depends on the interactionbetween the electrical, electromechanical andmechanical components.

Learning Target:

• know the structure and main components ofan electric traction system

• recognize the impact of technological innova-tion on the design of the optimal system solu-tion

• apply the knowledge acquired in the basiclectures to the traction systems

• be able to design a basic dynamic driving de-sign for traction drives

Content:The lecture covers the basics of electric drive tech-nology for traction applications. This includes ve-hicles from trams to high-speed trains and electri-cally driven road vehicles. An overview of the tech-nological development and the current state of theart is given. The main features of the design of ve-hicle drives from requirements to dimensioning areexplained.

1. Development of electric traction technology

2. Aspects of the energy supply of electric rail-ways

3. Vehicle dynamics and transmission

4. Drive technology with commutator motors

5. Drive technology with three-phase motors

6. Conventional railways

7. Unconventional railways

8. Road vehicles with electric drives

Optionally, this module can be extended by partici-pation in an English-language Journal Club, in whichstudents develop, present and discuss the contentsof scientific publications under the mentoring of aPhD student.

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Passive Komponenten derLeistungselektronik

(1./3. Semester im Master) V2, U1, L1Vorlesung: Jun.-Prof. Dr.-Ing. J. Friebe

Lernziel:Die Studierenden bekommen Kenntnisse überpassive Komponenten leistungselektronischerWandlerstufen sowie der grundlegenden Berech-nungsmethoden und Auslegungsstrategien. Nacherfolgreichem Abschluss können sie selbstständigpassive Komponenten für verschiedene Appli-kationen vergleichen, auslegen und bewerten.Hierzu zählen induktive Komponenten wie Spei-cherdrosseln und Transformatoren, verschiedeneKondensatortypen, grundlegende Aufbau- undVerbindungstechnik, parasitäre Eigenschaften derKomponenten und der grundsätzlichen Filterausle-gung für leistungselektronische Wandlerstufen.

Stoffplan:

• Berechnungsmethoden, Auslegungsstrategi-en, Beispiele magnetischer Komponenten

• Kondensatoren, Anwendungen, Typen, Vor-und Nachteile, typische Einsatzgebiete

• Grundsätzliche Filterauslegung für Frequen-zen unterhalb 30MHz (leitungsgebunden)

• Aufbau- und Verbindungstechnik in der Leis-tungselektronik

• Thermisches Management leistungselektro-nischer Umrichter

Jeder Studierende wählt eine Applikation/Anwen-dung aus, die parallel zur Vorlesung in der Übungweiterentwickelt wird. Ferner werden in der Labor-übung dazugehörige Komponenten ausgewählt undaufgebaut. Als Simulationssoftware wird LT-Spiceverwendet.

Vorkenntnisse: Leistungselektronik I

Hinweis: Idealerweise wird die Veranstaltungparallel zu Leistungselektronik II gehört.

Passive Components in PowerElectronics

(1st/3rd term in master course) V2, U1, L1Lecture: Jun.-Prof. Dr.-Ing. J. Friebe

Learning Target:The students gain knowledge about passive com-ponents of power electronic converter stages andfundamental calculation methods and design strate-gies. After successful completion, they are ableto compare, design and evaluate passive compo-nents for various applications on their own. Thisincludes inductive components such as inductorsand transformers, various types of capacitors, basicpower electronics packaging, parasitic componentproperties, fundamental filter design for powerelectronic converter stages.

Contents:

• Calculation methods, design strategies, ex-amples of magnetic components

• Capacitors, applications, types, pros andcons, typical fields of application

• Basic filter design for frequencies below30MHz (conducted)

• Power electronics packaging

• Thermal management of power electronicconverters

Every student chooses an application and developsits components during the exercise in parallel to thelecture. In the laboratory exercise, the correspond-ing components are selected and built up. Thesimulation software used is LT-Spice.

Previous Knowledge: Power Electronics I

It is recommended to attend the lecture in par-allel with Power Electronics II.

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Leistungselektronik *

(3. Semester im Masterstudiengang), V2, U1, L1Vorlesung: Jun.-Prof. Dr.-Ing. J. Friebe

Lernziel:Die Vorlesung gibt eine Einführung in die allge-meinen Themen der modernen Leistungselektronikmit starkem Fokus auf die Funktionsweise vonleistungselektronischen Schaltungen und de-ren Komponenten. Nach der Teilnahme sind dieStudierenden in der Lage, die grundlegendenEigenschaften von Leistungshalbleitern zu erklären,passive Bauelemente für typische Anwendungenauszulegen und Umrichterstufen zu berechnenund zu simulieren. Sie werden auch in der Lagesein, die Wechselwirkung zwischen einem odermehreren Umrichtern mit dem Netz zu verstehenund zu charakterisieren.

Stoffplan:Leistungselektronik für hocheffiziente Energieum-wandlung, Anwendungen, Komponenten, selbstge-führte Umrichter, dc/dc-Wandler, dc/ac-Wandler

Vorkenntnisse:Zwei Semester des internationalen Masterstu-diengangs Energy Technology or InternationalMechatronics

Hinweis: Studierende, die ihr Bachelor-Studium ander LUH abgeschlossen haben, sollen alternativan der Lehrveranstaltung Leistungshalbleiter undAnsteuerungen teilnehmen.

* wird auf Englisch abgehalten

Power Electronics *

(3rd term in master course, V2, U1, L1Lecture: Jun.-Prof. Dr.-Ing. J. Friebe

Learning Target:The lecture gives an introduction into the generaltopics of modern power electronics with a strongfocus on the operation principle of power electroniccircuits and their components. After participation,the students will be able to explain the basic charac-teristics of power semiconductors, design passivecomponents for typical applications and calculateand simulate converter stages. They will also beable to understand and characterize the interac-tion between one or multiple converters and the grid.

Contents:Power Electronics for highly efficient energy conver-sion, applications, components, line-commutatedconverter, dc/dc-converter, dc/ac-converter

Previous Knowledge:Two terms of the international master programEnergy Technology or International Mechatronics

Note: Students, who finished their BachelorDegree at LUH shall alternatively take part in thecourse Leistungshalbleiter und Ansteuerungen.

* held in English language

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Wasserkraftgeneratoren

(3. Semester im Masterstudiengang) V2, Ü1, L1Vorlesung: Jun.-Prof. Dr.-Ing. A. Ebrahimi

Inhalt:Klassifizierung von Wasserkraftwerken, globaleKapazität, Trends und Kosten, Hydropower-Technologien, hydraulische Berechnung einesKraftwerkes, Pumpspeicher-Kraftwerke, hydrauli-scher Kurzschluss, Aktions- und Reaktionsturbinen,Bestimmung von Geschwindigkeitsdreiecken undMomentberechnung.Hydrogeneratoren, Aufbau des Rotors, Dämp-ferwicklungen, Luftkanäle, Ständerblechpaket,Druckplatte und Druckfinger, Wicklungstechnologi-en, Röbelstab.Physikalisches Modell eines Wasserkraftgenerators,dq-Transformation, transientes und subtransien-tes Verhalten, Zeigerdiagram, Stromortskurve,Leerlauf- und Kurzschlusskennlinien.Analytische Modellierung des Generators, Fluss-dichteverteilung im Luftspalt und Nutungseffekt,Carterscher Faktor, Einfluss der Kühlkanäle auf dieaktive Länge, magnetische Spannung im Zahn undStänderjoch, Streufluss im Luftspalt, Nutquerfluss,Zahnstreufluss, Pollückenstreufluss, Stirnraumflussund Streuinduktivitäten im Stirnraum.Zusatzverluste in Hydrogeneratoren, Wir-belstromverluste in der Druckplatte, Ummagne-tisierungsverluste im Polschuh, Harmonische mitder Ordnungszahl 3, Wirbelströme in den Dämpfer-wicklungen, Wirbelströme in der Ständerwicklung,Stromverdrängungs- und Näherungseffekt, Ausle-gung des Röbelstabs.Magnetische Geräusche und Schwingungen inHydrogeneratoren, Radialkräfte im Luftspalt, Blech-paketschwingungen, Verformung des Ständerblech-pakets, statische und dynamische Exzentrizität,Radial- und Tangentialkräfte in der Nut.Auslegung von Hydrogeneratoren, Ausnutzungs-faktor, Gleichung des Spannungstensors, mecha-nische, elektrische, magnetische und thermischeAusnutzung des Generators.Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten von Hydro-generatoren, Verunreinigung der Ständerbohrung,Magnetsinn von Termiten etc.

Hydrogenerators

(3rd term in master course) V2, U1, L1Lecture: Jun.-Prof. Dr.-Ing. A. Ebrahimi

Contents:Classification of hydropower plants by type,global capacity and trends of hydropower plants,hydropower technologies, pumped storage hy-dropower plants, hydroelectric power generationand hydraulic calculations, reaction and impulseturbines, velocity triangle and torque calculation.Hydrogenerators, rotor structure, damper windings,air ducts, stator core, clamping plate, pressingfingers, windings, Roebel bars.Physical model of a hydrogenerator, dq-transformation, transient and subtransient in-ductances, phasor diagram, current locus curve,no-load and short-circuit characteristics.Analytical modelling of hydrogenerators, magneticflux density distributed in the air gap and slotting,Carter´s factor, equivalent core length, magneticvoltage of tooth and yoke, leakage fluxes not cross-ing the air gap, slot leakage inductances, tooth tipleakage inductances, leakage flux in the pole gap,end winding leakage inductances.Additional losses in hydrogenerators, clampingplate losses, pole shoe surface losses, third-orderharmonic losses, additional losses in the damperwindings, eddy current losses in the stator winding,skin and proximity effect, double sided skin effect,design of the Roebel bar.Magnetic noise and vibrations in hydrogenerators,radial air gap forces with centric rotor, stator coreoscillations, deformation of the stator core, staticand dynamic eccentricity, forces on the slot conduc-tors.Design of hydrogenerators, machine constantformulation, stress tensor equation, mechanical,electrical, magnetic and thermal loadability.Inspection and maintenance of hydrogenerators,stator bore contamination, magnetic termites, etc.

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Elektrische Maschinen undAntriebe

(3. Semester im Masterstudiengang), V2, Ü1, L1Vorlesung: Jun.-Prof. Dr.-Ing. A. Ebrahimi

Inhalt:Grundlagen des Elektromagnetismus, MaxwellscheGleichungen, Biot-Savart-Gesetz, Lorentzkraft,Maxwellscher Spannungstensor, Grundlage derelektromagnetischen Energiewandlung.Berechnung magnetischer Kreise mithilfe magne-tischer Ersatzschaltbilder, Durchflutungsgesetz,Induktionsgesetz, permanentmagnetische Werk-stoffe, ferromagnetische Werkstoffe, nichtlineareBH-Kennlinien, Hysterese und Wirbelstromverluste.Permanentmagneterregte Gleichstrommaschine,Reihenschlussmaschine, fremderregte Gleich-strommaschine, Universalmotoren, Ersatzschalt-bilder, Arbeitspunkberechnung, Schleifen- undWellenwicklungen, Ankerrückwirkung, Regelungeiner Gleichstrommaschine.Drehfeldtheorie, Herleitung der Wicklungsfaktoren(Gruppenfaktor, Spulenfaktor, Nutfaktor), Wech-selfelder, Oberwellen, Drehmomentbildung, Pen-deldrehmomente, Wicklungstopologie (Zahnspulen-wicklung, Ganzlochwicklung, Bruchlochwicklung),dq-Koordinaten, Parktransformation, Zeigerdia-gramme, Schenkelpolmaschine, Vollpolmaschine,permanentmagneterregte Synchronmaschine(Oberflächen- und vergrabene Magnete).Feldorientierte Regelung einer PMSM, Leistungs-elektronikhalbleiter, PWM, dreiphasiger Umrichter,Drehgeber (inkrementell und absolut), bürstenloseGleichstrommaschine, digitale Hallsensoren, Block-kommutierung, Regelung einer BLDC-Maschine.Auslegung eines mechatronischen Systems, bio-mechanische Lastberechnung, elektromechanischeAntriebsauslegung.

Electrical Maschines and Drives

(3th term in master course), V2, Ü1, L1Lecture: Jun.-Prof. Dr.-Ing. A. Ebrahimi

Contents:Fundamentals of electromagnetism, Maxwell’sequations, Biot-Savart law, Lorentz force, Maxwell’sforce tensor, basics of electromagnetical powerconversion.Calculation of magnetic circuits using magneticequivalent circuit diagrams, Ampère’s law, Faraday’slaw, permanent magnet materials, ferromagneticmaterials, non-linear BH characteristics, hysteresisand eddy current losses. Permanent magnet dcmachine, series-wound machine, externally exciteddc machine, universal motors, equivalent circuitdiagrams, working point calculation, lap and wavewindings, armature reaction, control of a dc ma-chine.Rotary field theory, derivation of winding factors(group factor, coil factor, slot factor), alternatingfields, harmonics, torque formation, pulsationtorques, winding topology (tooth coil winding,integer-slot winding, fractional-slot winding), dq-coordinates, park transformation, phasor diagrams,salient-pole machine, cylindrical rotor machine,permanent magnet synchronous machine (surfaceand buried magnets).Field-oriented control of a PMSM, power electron-ics semiconductors, PWM, three-phase inverter,encoder (incremental and absolute), brushless DCmachine, digital Hall sensors, block commutation,control of a BLDC machine. Design of a mecha-tronic system, bio-mechanical load calculation,electromechanical drive design.

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Studentische Arbeiten 2019/20 | Students’ Theses 2019/20

Studienarbeiten 2019 | Short Theses 2019

Gu, Pengcheng:Aufbau eines Tools für die Grobdimensionierung von InduktionsmaschinenDevelopment of a Tool for the Design of Induction Motors

Kechida, Oussama:Vergleich von numerischen 2D- und 3D-Modalanalysen zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens einer Hoch-drehzahlmaschineStudy of the Vibration Characteristic of a High Speed Electric Machine Using a 2D and 3D Modal Analysis

Pei, Jianhe:Analytische Vorausberechnung radialer DämpfungskräfteAnalytical Calculation of Radial Damping Forces

Weinmeister, Lukas:Methoden zur Bestimmung des Stirnraumanteils der Wicklung-Rotor-Kapazität von elektrischen MaschinenMethods for Determining the Contribution of the End-Windings to Rotor Capacitance of Electrical Machines

Zhu, Xi:Untersuchung von Synchronmaschinen mit nicht-äquidistanter Verteilung der StändernutenExamination of Synchronous Machines with non-equidistant Distribution of Stator Slots

Studienarbeiten 2020 | Short Theses 2020

Bziwech, Radhouen:Dimensionierung und Vergleich von synchronen Reluktanzmaschinen mit etablierten MaschinenkonzeptenDesign and Comparison of Synchronous Reluctance Machines with Established Machine Concepts

Chen, Jielin:Untersuchung der Auswirkungen von unterschiedlichen Polformen und Ungleichförmigkeiten im Luftspalt aufdas Betriebsverhalten von Schenkelpolsynchronmaschinen mittels magnetischer ErsatznetzwerkeExamining the Impact of Different Pole Shapes and Irregularities in the Air Gap on the Performance of Salient-Pole Synchronous Machines using Magnetic Circuits

Ghorbali , Wahib:Validierung einer Methode zur Bestimmung der optimalen Zahnkopfstruktur mit FEM-SimulationenValidation of a Method for the Determination of the Optimal Shape of Tooth Tips with FEM Simulations

Gu, Yufeng:Entwicklung einer Vorrichtung zur Impedanzmessung unter VorspannungDevelopment of a Device for Impedance Measurement under DC-Bias Preload

He, Ziheng:Einfluss tangentialer Aussparungen auf die Streuinduktivität von Transformatorkernen für die berührungsloseEnergieübertragungImpact of Tangential Gaps on the Stray Inductance of a Rotating Transformer

Holtkamp, Lukas:Numerische Kapazitätsberechnung im Wicklungskopf von elektrischen MaschinenNumerical Capacity Calculation in the End Windings of Electrical Machines

Jia, Shuqiao:Berechnung einer permanentmagneterregten Gleichstrommaschine mit Hilfe der Finite-Elemente-MethodeCalculation of a Permanentmagnet Excited DC-Motor Using Finite Element Method

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Shiyang, Jia:Kleinsignalmodellierung eines galvanisch trennenden DC/DC-WandlersSmall-Signal Modelling of a Galvanically Isolated DC-DC Converter

Zhang, Yimin:Bestimmung von magnetischen Widerständen anhand vereinfachter MaschinenmodelleDetermination of Magnetic Resistances on the Basis of Simplified Models of Electric Machines

Bachelorarbeiten 2019 | Bachelor Theses 2019

Al Jaber, Malek:Entwicklung einer Hardware-in-the-Loop Testumgebung zur Verifizierung der Antriebsregelung von Elektro-fahrzeugenDevelopment of a Hardware-in-the-Loop Test Environment for Verifying the Drive Control of Electric Vehicles

Araoud, Souheil:Messfehlerbetrachtung bei WechselrichterspeisungAnalysis of Measurement Uncertainities for Power Electronic Converters

Bender, Tim Niklas:Dimensionierung einer Hochdrehzahl-PMSM mit vergrabenen Magneten unter Verwendung hochfester KarosserieblecheDesign of a High Speed PMSM with Buried Magnets by Using High Strength Steel

Borchers, Rene:Auslegung und Realisierung eines Gatetreibers und Zwischenkreises für Si-IGBTs zum Vermessen von Leis-tungshalbleitern eines SerienelektrofahrzeugesDesign and Implementation of a Gate Driver and DC Link for Measurements of a Si-IGBT Power Module usedin Electric Vehicles

Bouzouita, Ali:Untersuchung des Synchronismus mehrerer Windenergieanlagen durch GrenzschwingungsvorgängeExamination of the Synchronism of Several Wind Turbines triggered by Border Oscillation Processes

Brune, Ole:Aufbau einer Toolkette zur FEM-Simulation von synchronen Reluktanzmaschinen mit Außenrotor in ANSYSMaxwellDevelopment of a Tool Chain for the FEM Simulation of Synchronous Reluctance Machines with exterior Rotorin ANSYS Maxwell

Esser, Maximilian:Galliumnitrid-Wechselrichter zur Ansteuerung von UltraschallwandlernGallium Nitride Inverter to Drive Ultrasonic Transducers

Gueriani, Achraf:Aufbau und Inbetriebnahme eines Prüfstands zur Messung der Potenzialverteilung in DrehstromwicklungenConstruction and Implementation of a Test Bench for Measuring the Potential Distribution in Three-Phase Wind-ings

Hammadi, Alaaeddine:Bestimmung geeigneter magnetischer Ersatznetzwerke für elektrische Maschinen mit vergrabenen MagnetenDetermination of Suitable Magnetic Equivalent Circuits for Electric Machines with Inner Magnets

Heeren, Hauke:Implementierung eines Mikrocontroller-Steuerungssystems für einen KleinspannungstraktionsumrichterImplementation of a Microcontroller-Based Control System for a Low-Voltage Traction Inverter

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Hoffmann, Long:Berechnung von Ausgleichsströmen in parallelen Zweigen von Schenkelpolsynchronmaschinen aufgrund geo-metrischer Asymmetrien im Ständer und RotorCalculation of Equalizing Currents in Parallel Branches of Salient Pole Synchronous Machines due to GeometricAsymmetry of Stator and Rotor

Holtkamp, Lukas:Entwicklung und Parametrisierung eines Motormodells zur Integration in einer RundenzeitsimulationDevelopment and Parameter Identification of an Electric Motor Model for Integration in Lap Time Simulation

Kamdem Ngatchessi, Fabrice Lionel:Erstellung eines magnetischen Netzwerks für aktiv gedämpfte FrässpindelnDevelopment of an Equivalent Magnetic Circuit Network for Actively Damped Motor Spindles

Kim, Denis:Berechnung und Validierung des transienten und stationären Maschinenverhaltens einer Schenkelpolsynchron-maschine an einem LaboraufbauCalculating and Validating the Transient and Steady-State Machine Performance of a Salient-Pole SynchronousMachine on a Laboratory Test Setup

Li, Xiaona:Modellierung von Leistungsmodulen und Untersuchung der Erfassbarkeit üblicher AusfallmechanismenModeling of Power Modules and Investigation of the Observability of Common Failure Mechanism

Manthey, Tobias:Inbetriebnahme eines SiC-Wechselrichters und Vermessung der Wirkung und Effizienz von Ausgangsfiltern fürTraktionsantriebeSiC-Inverter Commissioning and Output Filter Efficiency Measurement and Characterization in Traction DriveApplications

Meiswinkel, Marius:Untersuchung von elektromagnetischen Kräften auf die Leiterstäbe in einem HydrogeneratorInvestigation on Electromagnetic Forces on the Stator Bars of a Hydro Generator

Neschitsch, Tim:Implementierung einer Simulationssoftware zur analytischen Berechnung von Kurzschlussströmen in fremder-regten SchenkelpolmaschinenDeveloping a Simulation Software for Analytic Calculation of Short Circuit Currents in Salient Pole SynchronousMachines

Nguyen, Thi Thuy An:Numerische Berechnung der Grenzkennlinie hoch ausgenutzter InduktionsmaschinenNumerical Calculation of Maximum Torque Characteristics for Highly Utilized Induction Motors

Peter, Emma:Untersuchung von Streustegen additiv gefertigter Rotoren permanentmagneterregter SynchronmaschinenInvestigation of Stray Paths in Additively Manufactured Rotors of Permanent Magnet Synchronous Machines

Pickert, Phil:Untersuchung von Stanzkanteneffekten im Ständer von elektrischen MaschinenAnalysis of Punching Effects in the Stator of Electrical Machines

Sassi, Mohamed Amine:Analyse von zusätzlichen Verlusten im Rotor einer permanentmagneterregten SynchronmaschineAnalysis of Additional Losses in the Rotor of a Permanent Magnet Synchronous Machine

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Schenke, Finn:Leichtbaukonzepte für additiv gefertigte Rotoren permanentmagneterregter SynchronmaschinenLightweight Design of Additively Manufactured Permanent Magnet Synchronous Rotors

Schiefer, Philipp:Entwicklung eines SiC-Frequenzumrichters für einen Hochdrehzahltraktionsantrieb zum Einsatz in Motorsportan-wendungenDevelopment of a SiC Inverter for a High-Speed Traction Drive for Use in Motor Sports Applications

Seehausen, Malte:Messtechnische Untersuchung von Wirbelstromeffekten auf der Oberfläche von additiv gefertigten Rotor-ErsatzprüfkörpernExperimental Investigation of Eddy Current Effects on the Surface of Additively Manufactured Rotor AlternativeTest Pieces

Sellami, Assil:Einfluss des Betriebspunktes und der Wicklungskopfgeometrie auf Verluste und Feldverhältnisse im Stirnraumvon HydrogeneratorenImpact of the Operating Point and Stator End Winding Geometry on the End Region Field and Clamping PlateLosses in Hydro Generators

Sellami, Youssef:Berechnung der Zusatzverluste bei Stromverdrängung in elektrischen Maschinen unter Berücksichtigung desNutquerfelds bei SiC-UmrichterspeisungCalculation of the Additional Losses due to Current Displacement in Electrical Machines, Taking into Accountthe Slot Cross-Field in the Case of SiC Inverter Supply

Soula, Oussama:Untersuchung und Implementierung einer FPGA-basierten feldorientierten Regelung mit Überabtastung derStrömeInvestigation and Implementation of an FPGA-Based Field-Oriented Control with Oversampling of the Currents

Strecker, Samuel:Untersuchung von Polzahlkombinationen in aktiv gedämpften FrässpindelantriebenAnalysis of Pole Pair Combinations for Actively Damped Motor Spindles

Sun, Yang:Untersuchung von Modellierungsansätzen des Polschuhs für ein magnetisches Ersatznetzwerk von Schenkelpol-synchronmaschinenInvestigation of Pole Shoe Modelling Approaches for a Magnetic Equivalent Circuit of Salient-Pole SynchronousMachines

Tangerding, Felix:Dimensionierung eines elektrischen Hochdrehzahltraktionsantriebs für eine MotorsportanwendungDesign of a High Speed Electric Drive for a Motorsport Application

Topcu, Samet:Untersuchung des akustischen Verhaltens einer Hochdrehzahl-PMSMStudy on the Acoustic Behaviour of a High-speed PMSM

Tounsi, Leila:Untersuchung und Vergleich von Methoden zur Berechnung der Potentialverteilung in Wicklungen bei Beanspruchungmit SpannungsimpulsenStudy and Comparison of Methods for Calculating the Potential Distribution in Windings under Stress with Volt-age Pulses

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Trad, Ahmed Anis:Auslegung und Aufbau eines zweistufigen Leistungsumrichters basierend auf einer spannungsverdoppelndenKondensatorschaltung für einen E-Bike-AntriebDesign and Assembly of a Dual Stage Power Converter based of a Voltage Doubling Capacitor Circuit for anElectric Bike Drive

Willer, Felix Oliver:Auslegung und Aufbau eines zweistufigen Leistungsumrichters für einen E-Bike-AntriebDesign and Assembly of a Dual Stage Power Converter for an Electric Bike Drive

Yi, Xuanyu:Design und Optimierung passiver Komponenten für ElektrofahrradantriebeDesign and Optimization of Passive Components for Electric Bicycle Drives

von Oesen, Mats:Mechanische Untersuchung des Endbereichs eines Hydrogenerators im Hinblick auf das DruckplattenmaterialMechanical Investigation of the Stator End Region of a Hydro Generator with Regard to the Clamping PlateMaterial

Bachelorarbeiten 2020 | Bachelor Theses 2020

Alhaj Khouder, Walid:Implementierung einer FPGA-basierten Antriebsregelung mit Kompensation der nichtlinearen Übertragungs-eigenschaften eines WechselrichtersImplementation of an FPGA-Based Drive Control with Compensation of the Nonlinear Characteristics of an In-verter

Ataya, Mahmoud:Untersuchung eines neuartigen Konzepts für SanftanlasserAnalysis of a Novel Concept for Motor Soft Starters

Bailey, David:Labormaßstäbliche Emulation von Speichersystemen mittels PulswechselrichterEmulation of a Battery Energy Storage System (BESS) Utilizing a Two-Level Converter

Dubinin, Artjom:Entwurf und Implementierung einer Regelung für einen hybriden Active-Neutral-Point-Clamped-UmrichterDevelopment and Implementation of a Control System for a Hybrid Active-Neutral-Point-Clamped Inverter

Eck, Darius:Analytische Bestimmung des Luftspaltfelds von permanentmagneterregten Synchronmaschinen für verschiedeneRotorgeometrienAnalytical Determination of the Air Gap Field of Permanent Magnet Excited Synchronous Machines for DifferentRotor Geometries

Eidenschink, Jan Marc:Überwachung der Netzimpedanz durch Leistungsvariationen von Umrichtern in veränderlichen NetzenMonitoring of the Grid Impedance Using Power Variations of Converters in Fluctuating Grids

Endrullat, Paul:Aufbau eines Verfahrens zur Berechnung und Erstellung normkonformer Maschinendatenblätter für permanent-magneterregte SynchronmaschinenDevelopment of a Method for the Calculation and Generation of Standard-Compliant Machine Data Sheets forPermanent Magnet Synchronous Machines

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Eyyuboglu, Emil Ozan:Aufbau eines Tools für die Grobdimensionierung von permanentmagneterregten Synchronmaschinen als Trak-tionsantriebDevelopment of a Tool for the Rough Design of Permanent Magnet Excited Synchronous Machines as TractionDrives

Graue, Janosch:Aufbau und Inbetriebnahme einer leistungselektronischen Schaltung zur photovoltaischen Energieversorgungvon NanosatellitenDesign and Set-Up of a Power-Electronic Circuit for Photovoltaic Power Supply of Nanosatellites

Has, Razvan-Christian:Entwurf einer Steuerung und Regelung des Allradantriebs eines PHEV mit elektrischer HinterachseDesign of an All-Wheel Drive Control of a PHEV with Electric Rear Axle

Hecht, Simon:Entwicklung eines analytischen Modells für ein elektrifiziertes Mantelstrom- und PropellertriebwerkDevelopment on an Analytical Model of an Electrified Turbofan Engine and Propeller Engine

Herrmann, Tobias:Erweiterung eines magnetischen Ersatznetzwerks für aktiv gedämpfte FrässpindelnExtension of a Magnetic Equivalent Circuit for Actively Damped Milling Spindles

Hoffmann, Lennart:Aufbau und Inbetriebnahme eines DC/AC-Wandlers zum Einsatz in einem einphasigen PV-ModulwechselrichterDesign and Set-Up of a DC/AC Converter for a Single-Phase PV Module Inverter

Jünemann, Philipp:Bestimmung des Systemverhaltens von geregelten elektrischen Antriebssystemen für die Auswahl und Parametrisierungdes numerischen Solvers für ZeitbereichssimulationenDetermination of the System Behaviour of Controlled Electrical Drive Systems for the Selection and Parameter-isation of the Numerical Solver for Time Domain Simulations

Karouia, Ghassen:Erarbeitung eines parametrischen thermischen Modells für den rotierenden Teil eines berührungslosen Über-tragersDevelopment of a Parametric Thermal Model for the Rotating Part of a Wireless Energy Supply for SynchronousMachines

Kolmsee, Christian:Bewertung der Nachhaltigkeit von besonders hoch ausgenutzten Antrieben für Flugzeuge hinsichtlich des Ein-satzes von Seltenen-Erden-MaterialienEvaluation of the Sustainability of High Power Density Motors for Electric Aircrafts regarding the Use of RareEarth Materials

Ksouri, Malek:Berechnung der Feldverteilung und der Ummagnetisierungsverluste im Kurzschluss von Schenkelpolsynchron-maschinenCalculation of the Field Distribution and of the Iron Losses During Short Circuit Operation of Salient Pole Syn-chronous Machines

Kusuma, Gary:Entwurf einer Apparatur zur Messung dielektrischer EigenschaftenDesign of an Apparatus for Measuring Dielectric Properties

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Mand, Philipp:Planung einer Versuchsanordnung für Langzeitmessungen zur Untersuchung der Auswirkungen von kosmi-scher Höhenstrahlung auf Gallium-Nitrid LeistungshalbleiterDesign of an Experimental Setup for Long-Term Measurements to Study the Effects of Cosmic Radiation onGallium-Nitride Power Semiconductors

Maxhelaku, Ray:3D-Flussführung im axialen Endbereich permanentmagneterregter Synchronmaschinen mithilfe additiver Ferti-gung3D Magnetic Flux Guidance in Axial End Regions of Permanent Magnet Synchronous Machines using AdditiveManufacturing

Minnermann, Jonas:Messtechnische Ermittlung der Ersatzschaltbildelemente von PMSMMetrological Determination of the Equivalent Circuit Elements of PMSM

Mohamed, Malek:Berechnung der Potentialverteilung im Wicklungskopf von elektrischen MaschinenCalculation of the Potential Distribution in the Winding Overhang of Electrical Machines

Müller, Patrick Noah:Modulation der Streuschlitzposition von permanentmagneterregten Synchronmaschinen zur Reduktion der Drehmo-mentwelligkeitModulation of Slot-Opening Position of Permanent Magnet Synchronous Machines to Reduce Torque Ripple

Nguyen, Ngoc Mai:Implementierung einer seriellen Kommunikationsschnittstelle zwischen einer Steuerungsplattform und einemLeistungsmessgerät zur automatisierten MesswerterfassungImplementing of a Serial Communication Interface between a Prototyping Unit and a Power Meter for an Auto-mated Acquisition

Schröder, Waldemar:Umsetzung von Berechnungsfunktionen für elektrische AntriebssystemeImplementation of Calculation Methods for Electrical Drive Systems

Zyka, Keidi:Dimensionierung eines Servolenksystems für autonom fahrende RennfahrzeugeDesign of a Power Steering System for Autonomous Racing Vehicles

Masterarbeiten 2019 | Master Theses 2019

Barlage, Lukas:Optimierung der thermischen Ausnutzung von elektrisch erregten SynchronmaschinenImproving the Thermals Utilisation of Electrically Excited Synchronous Machines

Bieber, Maximilian:Homogenisierungsmethoden zur Bestimmung plausibler Materialparameter für die akustische Simulation elek-trischer MaschinenHomogenization Techniques to Estimate Reliable Material Properties for the Acoustic Simulation of ElectricalMachines

Brockhage, Torben:Untersuchung und Realisierung einer Messschaltung zur kombinierten Erfassung und Auswertung mehrererthermosensitiver Parameter an einer IGBT-HalbbrückeInvestigation and Implementation of a Circuit to Measure and Analyse Thermo-Sensitive Electrical Parametersof an IGBT-Module

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Cheng, Hui:Simulation and Modeling of 3D EMI Filter for EMI Prediction with ANSYS Q3D

Cholewa, Sven:Modellerstellung eines doppelseitig gekühlten SiC-Moduls zur Nachbildung der parasitären Induktivitäten undKapazitätenModeling of a Double Sided Cooling SiC Power Module to Extract the Parasitic Inductances and Capacitances

Xu, Deyong:Optimierung von Maschinenmodellen auf höchste DrehmomentdichtenOptimization of Machine Models for Highest Torque Density

Ding, Junyu:Berechnung von Luftspaltleitwerten für ein magnetisches Ersatznetzwerk von SchenkelpolsynchronmaschinenCalculation of the Magnetic Permeance in the Air Gap for a Magnetic Equivalent Circuit of Salient Pole Syn-chronous Machines

Dittmann, Jochen:Entwurf und Untersuchung von elektrisch erregten Synchronmaschinen in Dreieckschaltung für den Einsatz inElektrofahrzeugenDesign and Analysis of Electrically Excited Synchronous Machines in Delta Connection for Use in Electric Ve-hicles

Ebersberger, Janine:Charakterisierung einer SiC-Halbbrücke zur chipflächenskalierten Dimensionierung eines WechselrichtersCharacterization of a SiC Halfbridge for Inverter Design with Scaled Chip Areas

Esfahanian, Farzaneh:Parametrische Modellierung und Dimensionierung von Ausgangsfiltern im Traktionsantrieb mit SiC-WechselrichterParametric Modeling and Dimensioning of Output Filters in Traction Drive with SiC Inverter

Feng, Aige:Entwicklung einer Simulationsplattform für die elektromagnetische Simulation eines HydrogeneratorsDeveloping a Simulation Platform for the Electromagnetic Simulation of a Hydrogenerator

Hölscher, Leon:Entwicklung einer Regelung zur Winkelsynchronisation von Klauenkupplungen für einen elektrifizierten Fahrzeug-antriebsstrangDevelopment of a Control System for the Angular Synchronization of Claw Couplings for an Electric VehicleDrive Train

Joulian, Marc Alban:Aufbauen einer Prozesskette zur Untersuchung der Strömung im Luftspalt elektrisch erregter Synchronmaschi-nenDevelopment of a Process Chain to Investigate Fluid Dynamics in the Air Gap of Electrically Excited Syn-chronous Machines

Jusko, Steffen:Design, Aufbau und Inbetriebnahme eines Galliumnitrid-Wechselrichters zur Ansteuerung von Ultraschallwand-lernDesign and Test of a Gallium Nitride Inverter to Drive Ultrasonic Transducers

Klatt, Jean-Pierre:Kompakte Zwischenkreise für SiC-Antriebsumrichter zukünftiger ElektrofahrzeugeCompact DC-Links for SiC Automotive Inverters for Future Electric Vehicles

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Kostka, Benedikt:Auslegung und Validierung eines aktiven Filters für den Einsatz in einem SiC-Antriebsumrichter für Elektro-fahrzeugeDesign and Validation of an Active Filter for Use in a SiC Drive Inverter for Electric Vehicles

Krzikalla, Stefan:Entwicklung und Erprobung eines Verfahrens zur Bestimmung der Rotortemperatur von elektrisch erregten Syn-chronmaschinenDevelopment and Testing of a Method for Determining the Temperature of Field Winding for Electrically ExcitedSynchronous Machines

Kyryliuk, Volodymyr:Untersuchung von Zahnspulenwicklungen für Induktionsmaschinen kleiner LeistungStudy on Fractional-Slot Concentrated-Windings for Small Power Induction Machines

Li, Bai:Investigation of Different Distribution Functions for Preisach Hysteresis Modeling

Lorenz, Malte:Erweiterung des "Quasi-Two-Level PWM Operation" Modes für weitere modulare Multilevel-Umrichter Topolo-gienExtension of "Quasi-Two-Level PWM Operation" to Other Modular Multilevel Converter Topologies

Melloh, Tobias:Control and Dynamic Analysis of Marine Hybrid Electrical Power Systems

Mujanovic, Anel:Entwicklung einer feldorientierten Regelung für den Feldschwächbereich und Inbetriebnahme eines Prüfstandsfür ein mehrphasiges Antriebssystem mit PMSMDevelopment of a Field-Oriented Control for the Field Weakening Area and Start Up of a Test Bench

Nörenberg, Christian:Zusätzliche Verluste und parasitäre Effekte in permanentmagneterregten Synchronmaschinen in Dreieckschal-tung für den Einsatz in ElektrofahrzeugenAdditional Losses and Parasitic Effects in Permanent Magnet Synchronous Machines with Delta-ConnectedWindings for Use in Electric Vehicles

Pang, Ze:Analytische Berechnung der Wicklung-Stator- und Wicklung-Rotor-Kapazität von elektrischen Maschinen mit-tels SpiegelungsmethodeAnalytical Calculation of the Winding-Stator and Winding-Rotor-Capacity of Electrical Machines using the Methodof Image Charges

Riesner, Jan:Kopplung von numerischen und analytischen Berechnungsverfahren zur Charakterisierung von permanenter-regten SynchronmaschinenCoupling of Numeric and Analytical Calculation Methods for a Characterisation of Permanent Manget Syn-chronous Machines

Schepe, Constantin:Untersuchung des Einflusses von Ungleichförmigkeiten im Luftspalt auf das Betriebsverhalten von Schenkelpol-synchronmaschinenInvestigation of the Impact of Irregularities in the Air Gap on the Motor Performance of Salient-Pole SynchronousMachines

Suchan, Anton:Synchronmaschinen in Dreieckschaltung als Traktionsantriebe in ElektrofahrzeugenSynchronous Machines in Delta Connection as Traction Drives in Electric Vehicles

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Ullrich, Thomas:Finite Elemente Untersuchung des Einflusses von Sättigung des Stator- und Rotorblechpakets auf das ausquel-lende Luftspaltfeld in HydrogeneratorenFinite Element Investigation of Stator and Rotor Core Saturation on the Fringing Air-Gap Flux Density in HydroGenerators

Wenzel, Johannes:Feuchtigkeit als Ausfallursache von Leistungsmodulen in UmrichternHumidity as Failure Mechanism of Power Modules in Inverters

Xu, Linqiang:Auslegung der Spannungsversorgung für den Antrieb eines ElektrofahrradsDesign of the Power Supply for a Drive System of an Electric Bicycle

Yang, Xinhui:Untersuchung eines geberlosen Verfahrens zur Drehzahlschätzung für InduktionsmaschinenAnalysis of a Tranducerless Method for Speed Estimation of Induction Machines

Zhai, Tingxuan:Modeling and Simulation of Power Cables for Electric Motor Drive Systems

Zhang, Dapu:Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung der Wirbelstromverluste in Permanentmagneten durch Ober-felderDevelopment of a Method for Calculation of Eddy Currents in Permanent Magnets through Harmonic Field Com-ponents

Masterarbeiten 2020 | Master Theses 2020

Blanken, Norman:Machbarkeitsstudie: 3D-Druck von Rotoren großer SynchronmaschinenFeasibility Study: 3D Printing of Large Synchronous Machine Rotors

Bouzouita, Mohamed:Schaltbare Kupplung zwischen Generator und Turbine für die Bereitstellung von SystemdienstleistungenSwitchable Coupling between Generator and Turbine for Ancillary Services Supply

Chaara, Chaker:Entwicklung und Aufbau von modular verschaltbaren Vollbrücken auf Basis von Wide-Bandgap-LeistungshalbleiternDevelopment and Construction of Modular Interconnectable Full-Bridges Based on Wide-Gap Semiconductors

Chen, Mingqi:Berechnung der elektrischen Potentialverteilung in elektrischen MaschinenCalculation of the Electrical Potential Distribution in Electrical Machines

Cheng, Jingwei:Integration eines aktiven du/dt-Filters in eine taktende leistungselektronische Schaltung zur Charakterisierungder Filterwirkung und EffizienzIntegration of an Active du/dt Filter in a Switching Power Electronic Circuit to Characterize the Filter Efficiencyand Performance

Dürr, Patrick:Untersuchung des Generator-Umrichter-Systems einer Multi-MW Windenergieanlage mit DC-Kaskade zur Er-höhung der ZwischenkreisspannungInvestigation of a Generator-Converter-System of a Multi-MW Wind Turbine with DC Cascade for Increasing theDC Link Voltage

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Eisold, Mirko:Kopplung von numerischen und analytischen Verfahren zur Berechnung von permanentmagneterregten Syn-chronmaschinenCombination of Numerical and Analytical Methods for Calculating Permanent Magnet Synchronous Machines

Ferchichi, Mohamed Jamel:Entwicklung, Aufbau und Programmierung eines Controllerboards zur Regelung eines DAB-Wandlers in ISOP-VerschaltungDevelopment, Contruction and Programming of a Controller Board to Control a DAB Converter in ISOP Inter-connection

Frey, Pauline:Untersuchung der Verluste im Wechselrichter und der elektrischen Maschine bei der Verwendung von SiC-Halbleitern mit variabler SchaltfrequenzInvestigation of SiC-Inverters with Regard to Losses in Electrical Machines and Power Electronics at VariableSwitching Frequency

Fröhling, Sören:Messkonzepte eines kontaktintegrierten Temperatursensors in LeistungsmodulenMeasurement Concepts of a Contact-Integrated Temperature Sensor in Power Modules

Ghavami Moghaddam, Amirhossein:Evaluation and Implementation of a Hybrid Three-Level Inverter

Henkenjohann, Jonas:Analyse einer elektrisch erregten Synchronmaschine hinsichtlich einer Beeinflussung der AkustikAnalysis of an Electrically Excited Synchronous Machine with Regard to Influences on Accoustic Noise

Jia, Zijian:Modellierung der parasitären Kapazitäten von Mittelfrequenz-Leistungstransformatoren mit FolienwicklungenModeling the Parasitic Capacitances of Medium Frequency Power Transformers with Foil Windings

Kifel, Dennis:Nutzung der Additiven Fertigung in permanentmagneterregten Synchronmaschinen für ElektroflugzeugeUse of Additive Manufacturing Technologies in Permanent Magnet Synchronous Machines in Electric Aircrafts

Kreggenwinkel, Markus:Untersuchung von Schenkelpolrotoren mit steckbaren PolenInvestigation of Salient Pole Rotors with Pluggable Poles

Krems, Lucas:Einfluss der maximalen Drehzahl auf die Masse und das Volumen einer elektrischen Traktionsmaschine fürAutomobilanwendungenInfluence of the Maximum Speed on the Mass and the Volume of an Electric Machine for Automotive Applica-tions

Langfermann, Markus:Analytische Berechnung der Modalmatrix unter Verwendung eines Mehrmassenschwingers für die Voraus-berechnung der Eigenfrequenzen elektrischer MaschinenDetermination of the Eigenfrequencies and the Modal Matrix of Electrical Machines Using a Multi-Mass Oscil-lator

Li, Lu:Untersuchung von synchronen Reluktanzmaschinen mit AußenrotorExamination of Synchronous Reluctance Machines with External Rotor

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Lu, Shuaichao:Auslegungsmethodik zur Dimensionierung von mehrstufigen DC EMV Filtern für Traktionsantriebe mit SiC-WechselrichterDesign Methodology for Dimensioning Multistage DC EMV Filters for Traction Drives with SiC Inverters

Nguekou Mbouzeck, Raoul Gabin:Implementierung einer Ansteuerung für einen PFC-Gleichrichter und Inbetriebnahme des UmrichtersystemsImplementation of a Control for a PFC Rectifier and Commissioning of the Converter System

Niu, Jinlu:Dämpfung von Getriebeschwingungen im Antriebsstrang von ElektrofahrzeugenDamping of Gear Oscillations in the Drive Train of Electric Vehicles

Ren, Jiayue:Einfluss der Pulsdauer-Modulation auf die Geräuschemission elektrischer TraktionsantriebeInfluence of the Pulse Width Modulation regarding the Acoustic Noise Emission of Electrical Traction Drives

Schubert, Marius:Charakterisierung des Maschinenverhaltens von permanentmagneteregten Synchronmaschinen mit magneti-schen ErsatznetzwerkenCharacterization of Operational Behaviour of Permanent Magnet Synchronous Machines by Means of MagneticEquivalent Circuits

Schulz, Ilka:Modellierung der orthogonalen Magnetisierung auf Basis empirischer MaterialuntersuchungenModeling Orthogonal Magnetization Based on Empirical Material Investigations

Shu, Youjian:Berechnung der Lagerspannung im Antriebsstrang eines ElektrofahrzeugsCalculation of the Bearing Voltage in the Drive Train of an Electric Vehicle

Suresh, Anand:Application of Active Thermal Control Methods for Improving the Thermal Cycling Performance and ServiceLifetime of the Machine-Side Converter of an Airborne Wind Energy Generator

Vorhoff, Thorben:Untersuchung der Modellierung von komplexen Feldverläufen in elektrischen Maschinen für ein magnetischesErsatznetzwerkModelling of Complex Field Patterns in Electrical Machines for the Creation of a Magnetic Equivalent Circuit

Wang, Lipan:Untersuchung des Einflusses der Wicklungslage in der Nut auf die Spannungsverteilung bei schnellschaltendenWide-Bandgap-HalbleiternInvestigation of the Influences of the Winding Positions in the Slot on the Voltage Distribution with Fast-SwitchingWide-Band-Gap Power Electronics

Wolff, Julia Sabrina:Konzipierung, Aufbau und Inbetriebnahme eines aktiven Gatetreibers für SiC-MOSFETsDesign, Implementation and Testing of an Active Gate Driver for SiC-MOSFETs

Zhang, Haifei:Auslegung und Aufbau von Leistungstransformatoren für 3,7kW/7,4kW/10kW DCDC-Konverter mit hoher Leis-tungdichte und geringen VerlustenDesign and Construction of Power Transformers for 3,7kW/7,4kW/10kW DCDC Converters with High PowerDensity and Low Losses

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Zhang, Weinan:Design and Optimization of Input and Output EMI Filter

Zhu, Xi:Erweiterung eines Verfahrens zur analytischen Grobdimensionierung von permanenterregten Synchronmaschi-nenExtension of an Analytical Method for First Estimations of Dimensions of Permanent Magnet Synchronous Ma-chines

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Dissertationen 2019/20 | Dissertations 2019/20


Verbesserte Berechnung vonMagnetfeldern undUmmagnetisierungsverlusten inelektrischen Maschinen

von Dr.-Ing. Alexander Rehfeldt

Eine exakte Vorausberechnung der Ummagnetisie-rungsverluste im Ständerblechpaket von Drehfeld-maschinen stützt sich neben einem Ummagnetisie-rungsverlustmodell auf die als Eingangsgröße be-nötigte Verteilung der Flussdichte nach Orientierungund Zeitverlauf. Da aktuelle Ummagnetisierungsver-lustmodelle eine Vielzahl von Effekten abbilden, bie-ten analytisch basierte Feldberechnungsverfahrenhäufig eine unzureichende Detailtiefe. Die Verlust-modelle können ihr volles Potential nur im Zusam-menwirken mit numerischen Feldberechnungsme-thoden entfalten, die jedoch einen hohen Berech-nungsaufwand mit sich bringen können. Aus diesemGrund wird in dieser Arbeit neben einem Umma-gnetisierungsverlustmodell eine Methode zur zeitef-fizienten Feldberechnung im Ständer vorgestellt mitdem Fokus auf einer Anwendung für elektrisch er-regte Synchronmaschinen. Dabei wird hauptsäch-lich auf analytische Verfahren zurückgegriffen, diemit konformen Abbildungen geringe Rechenzeitenermöglichen. Die Feldberechnung baut dabei auf ei-nem vorgegebenen Luftspaltfeldspektrum im Leer-lauf auf. Die analytische Feldberechnung wird mitFinite-Elemente-Methoden verglichen und validiert.Im Verlustmodell wird besonders auf den Einflussvon elliptischer Magnetisierung, anisotropen Mate-rialeigenschaften und mechanischen Spannungenim Material auf die Verluste eingegangen. Zur voll-ständigen Betrachtung der Ummagnetisierungsver-luste im homogenen Bereich des Ständers, also oh-ne den Endbereich zu berücksichtigen, werden axia-le Feldanteile betrachtet, die konstruktionsbedingtdurch radiale Kühlkanäle entstehen und zu zusätz-lichen Wirbelstromverlusten führen. Dazu wird aufBasis von Finite-Elemente-Methoden eine Verlust-formel parametrisiert. Die Ergebnisse werden mitMessungen an einer Versuchsmaschine verglichen.

Abb. 50: Wirbelstrom durch axiale FeldkomponentenFig. 50: Eddy currents due to axial field components

Improved Calculation ofMagnetic Fields and Iron Lossesin Electrical Machines

by Dr.-Ing. Alexander Rehfeldt

A precise calculation of iron losses in the stator ofA.C. machines depends on the chosen iron lossmodel as well as on knowing the flux density distri-bution including its orientation and time dependency.Because state of the art iron loss models representa multitude of effects, analytic field calculation ap-proaches often provide an insufficient level of de-tail. Current loss models develop their full potentialonly in combination with numerical field calculationmethods, which come along with high computationalcost. For this reason, a novel time-efficient fieldcalculation method for the stator, which focuses onelectrically excited synchronous machines, is intro-duced in this dissertation in addition to an iron lossmodel. Combining analytic field calculation meth-ods and conformal mapping allows for a low calcu-lating time without sacrificing accuracy. The fieldcalculation is based on a given air-gap field distri-bution at no-load operation. The analytic field cal-culation is compared to and validated against finiteelement methods. The loss model accounts for theinfluence of elliptical magnetization, anisotropic ma-terial properties, and mechanical stress. All meth-ods mentioned so far consider the iron losses in thehomogenous part of the stator. Axial field compo-nents, which are caused by radial cooling ducts andlead to additional eddy-current losses, are not con-sidered yet.

Abb. 51: Berechnete Flussdichteverteilungen im Joch undJoch-Zahn-Übergang für versch. Rotorpos. im LeerlaufFig. 51: Calculated flux density distribution in the yokeand the yoke-tooth transition for different rotor pos. at noload

For this reason, based on 3D finite element meth-ods, an empirical loss equation is parameterized ad-ditionally using 3D finite element methods. Resultsare compared to measurements carried out on adownscaled test hydro generator.

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Modellierung und Regelung vonfünfphasigenSynchronmaschinen unterBerücksichtigung vonSättigungseffekten undMehrfachanisotropien

von Dr.-Ing. Torben Jonsky

Die Verwendung von elektrischen Maschinen mit ei-ner Phasenzahl größer als drei bringt zahlreicheVorteile mit sich, wie beispielsweise die Erhöhungder Systemleistungsdichte durch Nutzung der drit-ten Harmonischen und Redundanz im Falle einesPhasenausfalls. Sowohl im theoretischen als auchim experimentellen Bereich gibt es aufgrund der ge-ringen Verbreitung von fünfphasigen Maschinen ei-ne wissenschaftliche Lücke im Vergleich zu drei-phasigen Systemen, was die Bewertung des Nut-zens der Fünfphasigkeit erschwert. Die vorliegen-de Arbeit schließt diese Lücke, indem die Model-lierung von fünfphasigen Synchronmaschinen umNichtlinearitäten wie Sättigungseffekte und Mehr-fachanisotropien erweitert wird. Das entwickelte Mo-dell wird anhand von FEM-Simulationen validiertund die Tauglichkeit wird festgestellt. Als Versuchs-modell für Simulation und experimentelle Validie-rung wird eine fünfphasige Maschine mit zehn Ein-zelspulen untersucht. Hierbei kann jede Spule ein-zeln ohne einen gemeinsamen Sternpunkt mit Hil-fe einer Vollbrücke angesteuert werden. Abb. 52zeigt auf der linken Seite die Rotorgeometrie derentwickelten Maschine und auf der rechten Seiteeins der zehn verwendeten „intelligenten Einzelm-odule“ mit Wicklung, Leistungs- und Ansteuerelek-tronik sowie einen FPGA. In der Modellbildung wirddie Park-Transformation auf fünfphasige Maschinenerweitert, so dass eine Abbildung der dritten Har-monischen in den Maschinengrößen auf ein linea-res System möglich ist, was mit der klassischendreiphasigen Park-Transformation nur für die Grund-schwingung gilt. Des Weiteren werden Sättigungs-effekte anhand von FEM-Daten und in MATLAB-Simulink simuliert, die die Abhängigkeit der Induk-tivitäten und Flussverkettungen von den Strömenim Arbeitspunkt darstellen. Hierbei wird ein ana-lytisches Modell für das elektrische und mechani-sche Teilsystem entwickelt, das die FEM-Simulationin sehr gute Übereinstimmung mit der Zeitsimula-tion in MATLAB Simulink bringt. Mittels einer HF-Injektion werden die Induktivitäten in den relevantenArbeitspunkten in Abhängigkeit der Bestromung derMaschine experimentell ausgemessen und für jedesSoll-Moment wird eine wirkungsgradoptimale Kom-bination der Phasenströme ermittelt, um eine Wir-kungsgradsteigerung zu erreichen. Als zweiter zen-

Modelling and Control ofFive-phase Synchronous Motorsunder Consideration ofSaturation Effects andAnisotropies

by Dr.-Ing. Torben Jonsky

Electrical machines with a phase number higherthan three have several advantages over conven-tional three-phase machines such as an increasedpower density and redundancy in case of a phasefailure. The benefit of a five-phase machine is dif-ficult to evaluate, because these types of machinesare seldom used and there is a large gap of theoret-ical and experimental knowledge about three-phasemachines. This work closes this gap between five-phase and three-phase machines by extending themodelling of five-phase machines to saturation ef-fects and multiple anisotropies. The presented mod-elling is verified using FEM simulation with good re-sults. The model for simulation and experimentalvalidation is a five-phase permanent magnet syn-chronous motor with ten independent stator toothcoils. Each tooth coil can be used independentlywithout a common star point. Therefore, the sta-tor voltages and currents in each stator tooth arecompletely independent from each other. Fig. 52on the left-hand side shows the geometry of thefive-phase machine. On the right-hand side is apicture of one of the ten “smart stator tooth” thatinclude the winding and power electronics and anFPGA to drive the IGBTs. In the modelling chap-ter, the Park transformation is extended for the usein five-phase machines, so the third harmonic istransformed into a linear system which is not possi-ble using the standard three-phase Park transforma-tion. Furthermore, saturation effects are simulatedin FEM and in MATLAB-Simulink to show the depen-dence of the inductances and flux linkages from thecurrents in the current operating point. An analyti-cal model for the electrical and mechanical subsys-tem is developed, which brings the FEM simulationin good concordance with the time-based simulationin MATLAB Simulink. With a high-frequency injec-tion, the differential inductances in every operationpoint are determined and for every torque setpointthe most efficient combination of stator currents arederived to achieve an optimal efficiency. The sec-ond main experimental chapter is about switchingfive of the ten stator coils to minimize the losses inthe power electronics. This is especially useful in anoperating point with low currents. Fig. 53 shows theefficiency improvement in several working points be-tween the usage of ten stator coils compared to the

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traler Punkt wird die Möglichkeit einer Abschaltungvon jeweils fünf der zehn Spulen im niedrigen Last-bereich untersucht, um die Verluste im Leistungs-halbleiter zu minimieren. Hierbei zeigt sich, dass esim niedrigen Lastbereich bei einer Einzelspulenbe-stromung sinnvoll ist, dieses Verfahren anzuwen-den. Abb. 53 zeigt die Wirkungsgradverbesserungim Vergleich zwischen einer Bestromung mit fünfund mit zehn Spulen. Der Wirkungsgrad lässt sichbei niedriger Last um bis zu fünf Prozentpunkte stei-gern.

Abb. 52: Rotorgeometrie der fünfphasigen MaschineFig. 52: Geometry of the five-phase machine

usage of only five stator coils. In areas with a smalltorque demand, the efficiency can be improved byup to five percentage points.

Abb. 53: Foto des intelligenten EinzelzahnodulsFig. 53: Picture of “smart stator tooth”

Abb. 54: Wirkungsgraddifferenz zwischen der Verwendung einer zehnspuligen und fünfspuligenAnsteuerungFig. 54: Efficiency improvement between the usage of ten and five stator teeth

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Berechnung des Einflusses vonDämpferwicklung und massivemLäuferballen auf denStoßkurzschluss vonTurbogeneratoren

von Dr.-Ing. Michael Hackbart

Die Auswertung der Stoßkurzschlussvorgänge vonTurbogeneratoren wird zur Ermittlung der Maschi-nencharakteristiken verwendet. Im Prüffeld wirdder Stoßkurzschlussvorgang aus dem Leerlaufbe-trieb der Maschine initiiert. Dabei werden alle dreiStänderstränge miteinander kurzgeschlossen undder Ständerstromverlauf aufgenommen. Der Verlaufdes Ständerstroms wird bei den klassischen For-mulierungen in drei Abschnitte unterteilt, den sub-transienten, den transienten und den stationärenZeitabschnitt. Durch Auswertung des Verlaufs kön-nen nun Reaktanzen und Zeitkonstanten für jedenAbschnitt ermittelt werden. Diese Parameter reichenaus, um das dynamische Verhalten an den Stän-derklemmen des Generators hinreichend genau zubeschreiben. Die ermittelten Parameter eignen sichnicht zur Beschreibung des Erregerstromverlaufs.Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, den Erreger-stromverlauf genauso gut wie den Ständerstrom-verlauf berechnen zu können. Die vorliegende Ar-beit befasst sich nun mit den dreipoligen Stoßkurz-schlussvorgängen von zwei- und vierpoligen Tur-bogeneratoren, die mit einem massiven Läuferkör-per, einer Gleichstromerregerwicklung und einer ge-sehnten Ständerwicklung versehen sind. Die Arbeitführt den Leser an die physikalischen Prozesse her-an, welche im Stoßkurzschluss wirken. Zur Ver-deutlichung der Effekte wird ein Dämpferkreismo-dell entwickelt, dass das Erreger- und das Ständer-stromverhalten im Stoßkurzschluss quantitativ be-schreiben kann und den Einfluss der Dämpfungdurch den massiven Läuferballen und die Dämp-ferstäbe erläutert. Moderne Ansätze zur Berech-nung von Feldproblemen basieren meist auf der Ver-wendung numerischer Feldberechnungen mit derFinite-Elemente-Methode. Die in dieser Arbeit ver-wendeten Finite-Elemente-Modelle berücksichtigendie Nichtlinearität des Eisens sowie induzierte Strö-me auf der Läuferoberfläche und im Rotordämpfer-kreis. Um die Modelle zu validieren, werden die-se mit Prüffeldmessungen verglichen. Die Abwei-chung zwischen Messung und Rechnung beträgtnur wenige Prozente. Da die nichtlineare transienteFinite-Elemente-Methode ein sehr zeitaufwändigesVerfahren ist, wird ein analytischer Ansatz vorge-stellt, der die Erregerströme beschreibt. Die Neue-rung besteht darin, dass die Gleichung aufgrund deshohen Detaillierungsgrad sogar Kontaktwiderstände

Stator, Field and DamperWindings of Large SynchronousGenerators in the Event of aSudden Short Circuit

by Dr.-Ing. Michael Hackbart

Analyzing the sudden short-circuit events in turbinegenerators is essential to determine the machinecharacteristics. For test purposes, a three-phasesudden short-circuit is initiated at no load. The threestator terminals of the machine are shorted and thestator currents are observed versus time. In theclassical machine theory, the dynamic stator currentbehaviour is classified into three intervals. These in-tervals are the sub-transient, the transient and thesteady state. For each interval, time constants andreactances are evaluated and used to describe thedynamic machine behaviour. The derived parame-ters are helpful to represent the stator currents. Inthe past years, it has been consistently shown thatthese are not useful to predict the inductively cou-pled rotor currents. The presented work analyzesthe three-phase sudden short-circuit event of two-pole and four-pole generators. The generators havea dc excitation and a pitched stator winding. Thework derives an analytical model that includes theeffect of damping caused by the rotor damper sys-tem. This model is helpful to understand the effectsof damping and to evaluate the relevant physicalprocesses that are involved. The analytical meth-ods, including equivalent circuit models, are state ofthe art for fast computational machine parameter de-scriptions. Modern and complex procedures to de-scribe electromagnetic field problems are based onthe finite element method. In this work, the newlyderived finite element models consider the iron’snon-linearity and the currents induced on the rotorsurface and in the damper circuit. They are very de-tailed and can also show impacts of contact resis-tances in damper windings. The models are com-pared to the test field results. Since the deviationbetween model and measurement is less than 5 per-cent. Since the non-linear transient field calculationis very time-consuming, the stator currents are ac-curately described analytically. The existing formu-las for rotor currents are insufficient, and therefore,a new analytical approach is derived to calculate therotor currents in case of a sudden short circuit. Thisapproach is a promising new methodology that al-lows accurate field current description with respectto rotor surface damping, damper winding and con-tact resistances. The new method allows calculat-ing rotors with and without damper winding and withand without rotor surface currents. The results of

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des Dämpfersystems abbilden und Rotoren mit undohne Dämpferwicklung sowie mit massiven und ge-blechten Läufern beschreiben kann. Die Vorhersa-gegenauigkeit des Verfahrens wird mit Modellen derFinite-Elemente-Methode an unterschiedlichen Ge-neratoren nachgewiesen.

Abb. 55: Finite-Elemente-Modell zur Berechnung der Strömeauf der Rotoroberfläche, im Dämpferkreis und in derStänder- und ErregerwicklungFig. 55: Finite element model to calculate currents onrotor surface, damper, stator and rotor winding

this methodology are compared to measurementson different generators.

Abb. 56: Vergleich zwischen dem gemessenen und demberechneten ErregerstromverlaufFig. 56: Comparison of measured and calculated rotorcurrents

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Parametrisierung vonthermischen Modellen fürpermanentmagneterregteSycnhronmaschinen mittelsexperimentellerIdentifikationsmethoden

von Dr.-Ing. Florian Boseniuk

Zur Vorausberechnung des thermischen Verhal-tens von wechselrichtergespeisten permanentma-gneterregten Synchronmaschinen (PMSM) werdenhäufig Wärmequellennetzwerke (WQN) verwendet.Trotz detaillierter Kenntnis über die Maschinengeo-metrie und deren Materialeigenschaften führt ei-ne rein rechnerische Parametrierungsmethodik fürein WQN aufgrund von Fertigungseinflüssen häufigzu Abweichungen zwischen Berechnung und Mes-sung, die den Genauigkeitsansprüchen an thermi-sche Modelle für Systemsimulationen mechatroni-scher Produkte zur Beurteilung der Lebensdauerund als Basis für Optimierungen nicht mehr ge-nügen. Um diesen Genauigkeitsanforderungen ge-recht zu werden, sind über eine rein analytischeVorausberechnung der WQN-Parameter hinaus zu-sätzlich experimentelle Identifikationsmethoden not-wendig. Außerdem führen die durch den Wech-selrichter (WR) hervorgerufenen Oberschwingungs-spannungen zu Oberschwingungsverlusten in derPMSM, die das thermische Verhalten insbesonde-re der Permanentmagnete maßgebend beeinflus-sen. Vor diesem Hintergrund ist es das Haupt-ziel der Dissertation, für wechselrichtergespeistePMSM geeignete Modellstrukturen zur Berechnungder Wicklungs- und der Permanentmagnettempe-ratur zu erarbeiten, sodass Optimierungsmaßnah-men für das elektrische Antriebssystem unter Ein-beziehung der Wirkungen von Oberschwingungs-spannungen möglich sind. Ein Bestandteil dieserArbeit sind Untersuchungen, inwieweit die thermi-schen Simulationen mittels eines WQNs mit 10 Tem-peraturknoten auf Basis von Geometrie- und Ma-terialdaten sowie FE-Analysen unter dem Einflusseiner Wechselrichterspeisung mit Messungen über-einstimmen und welche Maßnahmen zur Verbesse-rung der Modellgenauigkeit getroffen werden müs-sen. Darauf aufbauend werden zwei weitere Model-le mit einem 2- und einem 5-Knoten-Ansatz erarbei-tet. Hierfür erfolgt die Bestimmung der Modellpara-meter mithilfe einer seriellen Strategie zum Teil ana-lytisch und zum Teil experimentell. Mit den aus Ein-zelversuchen identifizierten Parametersätzen kannanschließend ein Gesamtmodell vollständig para-metrisiert werden. Die Idee der seriellen Prüfstrate-gie liegt demnach nicht darin, die WQN-Parameterdes Erwärmungsdifferentialgleichungssystems aus

Parameterization of TransientThermal Models for PermanentMagnet Synchronous MachinesUsing Experimental IdentificationMethods

by Dr.-Ing. Florian Boseniuk

Lumped parameter thermal networks (LPTN) areoften used to predict the thermal behaviour ofinverter-fed permanent magnet synchronous ma-chines (PMSM). Despite detailed knowledge of themachine geometry and its material properties, thepurely mathematical parameterization methodologyof an LPTN often leads to deviations between cal-culation and simulation due to manufacturing influ-ences, which no longer meet the accuracy require-ments of thermal models for system simulations ofmechatronic products for assessing service life andfor optimizations. In order to achieve these accu-racy requirements, additional experimental identifi-cation methods are necessary in addition to a purelyanalytical prediction of the LPTN parameters. Fur-thermore, the harmonic voltages produced by the in-verter lead to harmonic losses in the PMSM, whichinfluence the thermal behaviour of the permanentmagnets in particular. Against this background, themain objective of this work is to develop suitablemodel structures for inverter-fed PMSM for the cal-culation of the winding and the permanent magnettemperature so that optimization measures of theelectric drive system taking into account the effectsof harmonic voltages are possible. Part of this the-sis are investigations to what extent the thermal sim-ulations by means of an LPTN with 10 temperaturenodes on the basis of geometry and material data aswell as FEM calculations agree with measurementsunder the influence of an inverter supply and whichimprovements can be made in order to increase themodel accuracy. On this basis, two further mod-els with a 2-node and a 5-node approach are de-veloped. For this purpose, the determination of themodel parameters by means of a serial strategy iscarried out partly analytically and partly experimen-tally. Due to the balanced and stepwise serial testingstrategy, it is possible to determine a certain param-eter set for the thermal equivalent model one afteranother. Based on the sets of parameters identi-fied in the single tests, a final overall model can thenbe parameterized. To test the selected methods,a comparison is made between measurement andsimulation on a test bench. Finally, a comparisonand an evaluation of the methodologies and modelsis presented.

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einer einzigen Trainingsmessung durch ein nicht-lineares Optimierungsverfahren zu ermitteln, son-dern sie schrittweise aus den speziellen Versuchs-bedingungen zu identifizieren. Dies hat den Vor-teil, dass die einzelnen technischen Effekte getrenntvoneinander beurteilt werden können. Zur Erpro-bung der ausgewählten Verfahren erfolgt ein Ver-gleich zwischen Messung und Simulation an einemPrüfstand. Abschließend werden ein Vergleich so-wie eine Bewertung der Methodiken und Modellevorgenommen.

Drehzahl / min-11000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Lei

stu

ng

/ W

050

100150200250300350400450500550600

fS = 10 kHz fS = 16 kHz fS = 20 kHz

Abb. 57: Einfluss der Schaltfrequenz auf dieOberschwingungsverluste bei Bemessungsmoment MN =72.8 Nm von Maschine CFig. 57: Influence of the switching frequency on theharmonic losses at rated torque MN = 72.8 Nm ofmachine C

Zeit / min

0 10 20 30 40 50 60 70

Tem

per

atu

r /

°C

2030405060708090

100110120130

Modell 1 Modell 3

Messung

AP1 (3000 min-1)

AP2 (6000 min-1)

Abb. 58: Messung und Berechnung derPermanentmagnettemperatur in den untersuchtenArbeitspunkten von Maschine CFig. 58: Measurement and calculation of the permanentmagnet temperature in the studied working points ofmachine C

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Frequency-Domain Modeling ofHarmonic Interactions inPulse-Width ModulatedVoltage-Source Inverter Drives

von Dr.-Ing. Malte John

Die in dieser Arbeit vorgestellte Methodik ermöglichtdie Berechnung der Strom- und Spannungsspektreneines Antriebssystems für den eingeschwungenenZustand unter Berücksichtigung von Wechselwir-kungen der Systemkomponenten. Die Darstellungder Signale mittels ihrer Fourier-Koeffizienten bildetdabei die mathematische Grundlage. Die Beschrei-bung ihrer Systemverknüpfung erfolgt als algebrai-sche Gleichungen, welche im Allgemeinen nichtline-ar sind und die Verkopplung der spektralen Kompo-nenten berücksichtigen. Dies ermöglicht die Beach-tung der Interaktionen zwischen dem Wechselrich-ter, seiner Speisung und Last sowie seiner Rege-lung und Pulsdauermodulation. Dabei wird die Zeit-kontinuität der physikalischen Größen, die Zeitdis-kretisierung der Regelungssignale sowie der ent-sprechende Umwandlungsprozess einbezogen. Da-mit trägt diese Arbeit zu einem tieferen Verständ-nis der Wechselwirkungen innerhalb eines Umrich-tersystems bei und ermöglicht eine Berechnungder entstehenden Spektren unter Berücksichtigungder Interaktionen, welche in gängigen Frequenzbe-reichsmodellen vernachlässigt werden.Als Vereinfachung werden in dieser Arbeit die leis-tungselektronischen Komponenten als verlustfreieSchalter angenommen, welche diskret einen leiten-den und einen sperrenden Zustand annehmen kön-nen. Die verwendeten Gleichungen gelten für hartgeschaltete Umrichter mit fester Schaltfrequenz. DieWechselsperrzeit kann für den gesteuerten Betriebberücksichtigt werden. Diese bleibt allerdings fürden geregelten Betrieb vernachlässigt.Die Interaktion des Umrichtersystems mit einerelektrischen Maschine wird am Beispiel einer per-manentmagneterregten Synchronmaschine gezeigt.Andere Maschinentypen werden in dieser Arbeitnicht betrachtet. Die Modellierung erfolgt im rotor-festen Koordinatensystem auf Grundlage der Haupt-flussverkettung ohne Sättigung und berücksichtigtden Einfluss von oszillierenden Drehmomenten aufdie spektrale Verteilung im gesamten Antriebssys-tem. Der Wechselrichter wird dabei im gesteuertenBetrieb betrachtet.Die entwickelten Frequenzbereichsmodelle werdennumerisch in Matlab ausgewertet und mit Ergebnis-sen aus Zeitbereichssimulationen in Simulink ver-glichen, welche auf den gleichen Annahmen beru-hen. Vergleiche zeigen sehr geringe Unterschiedezwischen den Ergebnissen. Eine Validierung der zu-grundeliegenden Annahmen erfolgt über den Ver-

Frequency-Domain Modeling ofHarmonic Interactions inPulse-Width ModulatedVoltage-Source Inverter Drives

by Dr.-Ing. Malte John

The method presented in this thesis allows for thecalculation of the current and voltage spectra of adrive system for the steady state, while consider-ing the influence of interactions between the systemcomponents. The signals are represented by theirFourier coefficients. Their relationships within thesystem are described by algebraic equations, whichare generally non-linear and incorporate the cou-pling of the harmonic components. This ensures theconsideration of interactions between the inverter,its feeding source and load as well as its closed-loopcontrol and pulse-width modulation. The models in-clude continuous-time physical quantities, discrete-time control signals, and their respective conversionprocesses. As a result, this thesis provides a deeperunderstanding of the dependencies within a con-verter system and enables a calculation of the re-sulting spectra, taking into account the aforemen-tioned interactions, which are neglected in estab-lished frequency-domain models.As a simplification, in this work the power electroniccomponents are assumed to be lossless switches,which can conduct and block as discrete states. Theequations presented apply to hard-switched con-verters with fixed switching frequencies. The effectof interlock times is considered in the models foropen-loop control. However, it is neglected in themodels for closed-loop control.The interaction of the converter system with an elec-trical machine is presented for the example of apermanent-magnet synchronous machine. Othermachine types are not analyzed in this work. Themodel is formulated in the rotor-fixed referenceframe in accordance with the main spatial harmonicof the field components and considers the influenceof oscillatory load torque on the spectra of the over-all drive system. The inverter is assumed to be inopen-loop control in this case.The frequency-domain models developed in thiswork are numerically evaluated in Matlab and com-pared with results from time-domain simulations inSimulink, which are based on the same assump-tions. Comparisons reveal very small differencesbetween the results. A validation of the underly-ing assumptions is performed by comparison withmeasurement results. Due to constraints in compu-tational power, especially in cases of unfavourableratios of fundamental frequency and switching fre-quency, the presented method is limited in its nu-merical evaluation regarding the number of harmon-

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gleich mit Messergebnissen. Durch die Rechenleis-tung sind dem vorgestellten Verfahren, insbesonde-re bei der Wahl ungünstiger Verhältnisse von Grund-frequenz und Schaltfrequenz, in der numerischenAuswertung bei der Anzahl zu berücksichtigenderHarmonische der Systemgröße Grenzen gesetzt.

ics to be considered and the size of the system.

AC-side signals

Con

tinu

ous

time

Dis

cret

e tim

e

Information

Power

DC-sidesignals

VSI PMSM

PWM

Control

ADC

DClink

Input

Setpoint values

Load torque

ADC

Rectifier current

Abb. 59: Wechselwirkungen der Signale im AntriebssystemFig. 59: Interactions of the signals in the drive system

Controller Plant

xabc

u xabcxsp Δxl

Digital control system

dq

abc

-PWM

SensorADC

Actuatordq

abc

Continuous physical system

'xdq'ADC

PWM

Abb. 60: Blockschaltbild des geschlossenen Regelkreises. Die nichtlinearen bzw. zeitvarianten Effekte der Pulsdauermodulation (PWM),der Park-Transformation und des leistungselektronischen Stellgliedes werden in dieser Arbeit im Frequenzbereich behandelt.Fig. 60: Block diagram of the closed control loop. The non-linear and time-variant effects of the pulse-width modulation (PWM), thePark transformation and the power electronic actuator are examined in this work in the frequency domain.

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Baukastensysteme für denAntriebsstrang vonElektrofahrzeugen

von Dr.-Ing. Johannes Heseding

Die Herstellungs- und damit Anschaffungskostenbatterieelektrisch betriebener Fahrzeuge sind nachheutigem Stand deutlich gegenüber denen kon-ventionell verbrennungsmotorisch betriebener Fahr-zeuge erhöht. Gleichzeitig ist die Variantenvielfaltder erhältlichen batterielektrischen Fahrzeuge ein-geschränkt. Für konventionelle Fahrzeuge bieten dieHersteller auf Basis von Baukastensystemen eineVielzahl von Varianten an, die sich, neben ande-ren Merkmalen wie der Fahrzeugausstattung, vor al-lem in der Antriebsleistung unterscheiden. In dieserArbeit wird ein Konzept für modular in ihrer Leis-tung skalierbare Antriebsstrangkomponenten erar-beitet, das einen Teil eines solchen Baukastensys-tems darstellen kann. Ziel ist es, dabei eine fein-teilige Leistungsskalierung mit hohen Stückzahlender Einzelkomponenten zu verbinden, um somit ho-he Variantenvielfalt zu ermöglichen und gleichzei-tig Kostenreduzierungen aufgrund von Skaleneffek-ten zu realisieren. Innerhalb des erarbeiteten Kon-zepts ist es das Ziel, bei einer Leistungsskalierungdurch modulare Längenskalierung der elektrischenMaschine, den Strangstrom dieser annähernd kon-stant zu halten. Mit dieser Maßnahme wird der Ein-satz, in ihrer Strangzahl skalierter, identischer Halb-leitermodule für alle innerhalb des Baukastensys-tems vorgesehenen Varianten ermöglicht. Es wer-den drei- und sechssträngige permanentmagneter-regte Synchronmaschinen (PSM) und Induktions-maschinen (IM) herangezogen, die einen für beideMaschinentypen identischen Stator aufweisen. DieVerwendung dieser beiden Maschinentypen lieferteinen weiteren Beitrag zur feinteiligen Leistungsska-lierung. Es wird darüber hinaus untersucht, ob ei-ne moderate Erhöhung der Zwischenkreisspannungdurch einen optionalen, ebenfalls in der Phasenzahlmodular skalierbaren, Gleichspannungswandler zurLeistungsskalierung innerhalb einer Baureihe einge-setzt werden kann. Durch die Nutzung von PWM-Interleaving kann in sechssträngigen Antriebssyste-men die Belastung des Zwischenkreiskondensatorsdeutlich reduziert werden. Damit ist, trotz der mitder Strangzahlskalierung verbundenen Leistungser-höhung, ein identisches Bauteil innerhalb des Bau-kastens verwendbar. Dies ermöglicht eine weite-re Stückzahlerhöhung dieser Komponente innerhalbdes Baukastens.

Es werden die Vor- und Nachteile drei- und sechs-strängiger Antriebssysteme untersucht. Dabei liegtder Fokus auf der Erarbeitung von durch Messun-gen validierten skalierbaren Modellen, insbesonde-

Modular Systems for the DriveTrain of Electric Vehicles

by Dr.-Ing. Johannes Heseding

The manufacturing and therefore purchasing costsof battery-electric vehicles are significantly in-creased compared to conventionally powered ve-hicles with combustion engines. In addition, thevariety of available battery-electric vehicles is lim-ited. For conventional vehicles, manufacturers offera large number of variants. These variants are car-ried out from modular platform systems which, in ad-dition to other features such as vehicle equipment,differ mainly in vehicle performance. In this thesis,a concept for modularly scalable powertrain compo-nents is developed that can be part of a modularplatform system. The main target is to combine afinely graduated power scaling, resulting in high vol-umes of the individual components, in order to en-able a high number of variants and at the same timeto realize cost savings due to economics of scale.Within the elaborated concept, the goal is to keepthe phase current of a modular length scaled elec-tric machine at an almost constant level. To do so,scaling of the motorphase count is considered. Thisenables the use of identical semiconductor modulesscaled in terms of their number of phases for all vari-ants provided within the modular platform system.For this purpose, three- and six-phase permanentmagnet synchronous machines (PSM) and induc-tion machines (IM) are used, which use an identicalstator for both machine types. The use of these twomachine types provides a further contribution to thefinely graduated power scaling. In addition, it is be-ing investigated whether a moderate increase in theDC link voltage can be used by an optional, also inits phase number modularly scalable, DC-DC con-verter for power scaling within a series. By usingPWM interleaving in six-phase drive systems, thestress of the DC link capacitor can be significantlyreduced, and therefore an identical component canbe used within the modular platform system. This re-sults in a further increased number of identical com-ponents used.

The advantages and disadvantages of three- andsix-phase drive systems are investigated. The mainfocus lies on the development of scalable modelsvalidated by measurements, in particular for thecomponents that are related to the field of powerelectronics, as well as the analysis of the interac-tion between the inverter and the electrical machine.This includes in particular the identification of fac-tors that cause high fifth- and seventh-order funda-mental frequency in the investigated six-phase ma-chines and a method for compensating these un-

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re von der dem Gebiet der Leistungselektronik zu-rechenbaren Komponenten, sowie der Analyse derWechselwirkung zwischen Wechselrichter und elek-trischer Maschine. Zu diesen zählen insbesonde-re die Herausarbeitung von Faktoren zur Ursacheder bei den untersuchten sechssträngigen Maschi-nen hohen Stromoberschwingungen fünf- und sie-benfacher Grundfrequenz, sowie ein Verfahren zurKompensation dieser unerwünschten Ströme. Dar-über hinaus wird eine Analyse der durch die nichtsinusförmige Wechselrichterspeisung hervorgerufe-nen Oberschwingungsverluste in drei- und sechs-strängigen Maschinen durchgeführt. Diese Verlus-te sind bei sechssträngigen Maschinen, insbeson-dere bei Einsatz von PWM-Interleaving, gegenüberdreisträngigen Maschinen erhöht.Mit den erarbeiten Modellen des Antriebsstrangswird eine vergleichende Bewertung des modularenSkalierungskonzepts (in zwei Ausprägungen) ge-genüber einem konventionellen Skalierungsansatzohne Strangzahlvariation vorgenommen. Dabei wirdsowohl der benötigte Bauraum der Antriebsstrang-varianten, deren Effizienz im fahrzeugübergreifen-den Einsatz in drei Fahrzyklen, sowie die anhandvon erarbeiteten Kostenmodellen berechneten Ge-samtkosten in die abschließende Bewertung einbe-zogen. Es ergeben sich Kostenvorteile bei leicht er-höhtem Bauraumbedarf bei äquivalenter Effizienzfür das modulare Skalierungskonzept.

14 28 42 56 70 84 98 112 1260

100

200

300

400

500

600

700PWM induced harmonic losses m3PWM induced harmonic losses m6 with 0° PWM-InterleavingPWM induced harmonic losses m6 with 90° PWM-Interleavingcalc. PWM induced harmonic losses m3calc. PWM induced harmonic losses m6 with 0° PWM-Interleavingcalc. PWM induced harmonic losses m6 with 90° PWM-Interleaving

Abb. 61: Berechnete und gemessene PWM-induzierteOberwellenverluste in Drei- undSechs-Phasen-Konfiguration und VerzahnungFig. 61: Calculated and measured pwm-induced harmoniclosses in three- and six-phase configuration andinterleaving

wanted currents. In addition, an analysis of the har-monic losses caused by the non-sinusoidal inverteroutput voltage is carried out for three- and six-phasemachines. These losses are increased in six-phasemachines, especially when using PWM interleaving,compared to conventional three-phase machines.With the models developed, a comparative assess-ment of the modular scaling concept compared to aconventional scaling approach without phase num-ber variation is done. The required installation spaceof the powertrain variants, their efficiency in cross-vehicle use in three driving cycles as well as the cal-culated total costs based on developed costs mod-els is included in the final assessment. It is fig-ured out that there are cost advantages with thedrawback of slightly increased space requirementsat equivalent efficiency for the modular scaling con-cept.

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0 0.01 0.02 0.03 0.04

-100

-50

0

50

100iu

Abb. 62: Aktive Stromregelung der 5. und 7. Harmonischenfür eine sechsphasige InduktionsmaschineFig. 62: Active 5th and 7th harmonic current control forsix-phase induction machine

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Beiträge zu fehlertolerantenFahrzeugantrieben mitRadnabenmotoren ohneReibungsbremse

von Dr.-Ing. Tobias Krone

Diese Dissertation beschäftigt sich mit fehlertoleran-ten Radnabenantrieben mit integrierter Leistungs-elektronik für Elektrofahrzeuge (Abb. 63). Die Be-sonderheit des betrachteten Fahrzeugtyps ist, dassdie Bremsfunktion an den angetriebenen Rädernvollständig von den Radnabenantrieben übernom-men wird, sodass an diesen Rädern keine zusätz-lichen Reibungsbremsen notwendig sind (Abb. 64).

Quelle: Schaeffler

Leistungselektronik

StatorRotor

LagerReibungsbremse18“-Felge

Abb. 63: RadnabenantriebFig. 63: Wheel hub drive

Im Rahmen der Arbeit wird für diese Anwendung zu-nächst eine optimale Topologie für den elektrischenAntriebsstrang ermittelt. Der Fokus liegt bei dieserBetrachtung auf dem Bauteilbedarf der leistungs-elektronischen Komponenten und ihrer Energieeffi-zienz im Zyklusbetrieb. Dafür werden verschiedeneTopologien, z. B. mit oder ohne einen Hochsetzstel-ler zwischen der Traktionsbatterie und den elektri-schen Antrieben, verglichen und die optimale Span-nung der Traktionsbatterie für die jeweilige Topolo-gie ermittelt. Für diesen Vergleich werden die benö-tigten Komponentenmodelle der Batterie, der Leis-tungselektronik und des elektrischen Motors entwi-ckelt. Diese ermöglichen eine detaillierte Auslegungund Analyse der verschiedenen Topologien, sodassals Ergebnis eine anwendungsoptimierte Topologievorliegt.Auf dieser Topologie aufbauend wird im nächstenSchritt ein Sicherheitskonzept für den Leistungsteildes elektrischen Antriebsstrangs entwickelt. Dafürwerden die sicherheitskritischsten Fehlfunktionen,die von Fehlern im Antriebsstrang ausgehen kön-nen, beschrieben und entsprechende Abhilfen auf-gezeigt.

Contributions to Fault-tolerantVehicle Drives with Wheel HubMotors without Friction Brake

by Dr.-Ing. Tobias Krone

This thesis deals with fault-tolerant wheel hub drives(WHD) with integrated power electronics for electricvehicles (Fig. 63). The special feature of the vehicletype under consideration is that the braking functionis completely implemented into the wheel hub drivesof the driven wheels, so that no additional frictionbrakes are necessary on these wheels (Fig. 64).Within the scope of the work, an optimal topologyfor the electric power train is determined for this ap-plication. The focus of this analysis is on the com-ponent requirements of the power electronic com-ponents and their energy efficiency in different driv-ing cycles. Various topologies, e. g. with or withouta boost converter between the traction battery andthe electric drives, are compared and the optimumvoltage of the traction battery is determined for therespective topology. This comparison requires thedevelopment of component models of the battery,the power electronics, and the electric motor. Themodels enable a detailed design and analysis of thevarious layouts, resulting in an application-optimizedtopology.In the next step, a safety concept for the electricpower train is developed based on this topology. Forthis purpose, the most safety-critical malfunctionsthat can be caused by faults in the power train aredescribed and appropriate remedies are shown.

RNA

RNA

Bremsmoment-anforderungen

Abb. 64: Bremssystem des FahrzeugsFig. 64: Vehicle braking system

In order to implement this safety concept, two newlydeveloped methods for the detection of half-bridgeshort circuits are presented and investigated. Com-pared to the known methods, these offer advantagesin terms of fault detection time and circuit complexity.In addition, a methodology for calculating the cur-rent stress in the DC link is developed. This enablesa simplified calculation of the current stress occur-ring during operation, taking into account the in-teractions between the distributed power electronic

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Zur Umsetzung dieses Sicherheitskonzepts werdenanschließend zwei neu entwickelte Verfahren zurhalbleiternahen Erkennung von Halbbrückenkurz-schlüssen vorgestellt und untersucht. Diese bietengegenüber den bekannten Verfahren Vorteile hin-sichtlich der Fehlererkennungszeit und des Schal-tungsaufwands.Darüber hinaus wird eine Methodik zur Berechnungder Zwischenkreisbelastung entwickelt. Diese er-möglicht eine vereinfachte Berechnung der im Be-trieb auftretenden Belastungen unter Berücksich-tigung der Wechselwirkungen zwischen den ver-teilten leistungselektronischen Komponenten, dieüber das Hochvolt-Gleichspannungsnetz im Fahr-zeug miteinander verbunden sind und einen verteil-ten Zwischenkreis darstellen. Mit Hilfe dieser Me-thodik erfolgt im Anschluss eine Optimierung derZwischenkreisauslegung in den Antrieben und imHochvolt-Gleichspannungsnetz.Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern signifikante Bei-träge für die Entwicklung anwendungsoptimierterRadnabenantriebe und den Aufbau eines elektri-schen Antriebsstrangs, der geeignet ist, die Brems-funktion an der Hinterachse komplett über die elek-trischen Antriebe zu realisieren.

components, which are connected to each other viathe high-voltage DC system in the vehicle and repre-sent a distributed DC link. This methodology is thenused to optimize the design of the DC links in thedrives and in the high-voltage DC system.The results of this work make significant contribu-tions as to the development of application-optimizedwheel hub drives and the construction of an elec-tric power train that is suitable for implementing thebraking function on the rear axle completely with thehelp of electric drives.

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Quasi-Two-Level PWM Operationfor Modular MultilevelConverters: Implementation,Analysis, and Application toMedium-Voltage Motor Drives

von Dr.-Ing. Jakub Kucka

Der Betrieb von modularen Mutlilevel-Umrichternbei niedrigen Betriebsfrequenzen, notwendig für An-wendungen als Mittelspannungsantrieb, ist generellmit den bekannten Betriebsmodi herausfordernd.Besonders wenn das Bemessungsmoment wäh-rend des Stillstands erforderlich und die Bemes-sungsfrequenz der Maschine niedrig sind, mussdie installierte Modulkapazität sehr hoch sein. Ei-ne mögliche Lösung für dieses Problem stellt derQuasi-Zwei-Level-PWM-Modus dar, welcher die Ka-pazität um mehr als eine Größenordnung reduziert.Obwohl er auf die Multilevel-Kurvenform verzichtet,bleiben alle anderen Vorteile eines konventionell be-triebenen modularen Multilevel-Umrichters erhalten.Diese Vorteile beinhalten kleine Spannungsstufen(limitierend für die Probleme mit langen Maschinen-kabeln und für Lagerströme), Modularität, Skalier-barkeit auf höhere Spannungen und eine unkompli-zierte Möglichkeit Redundanz aufzubauen.

Abb. 65: Modularer Multilevel-UmrichterFig. 65: Modular multilevel converter

Diese Dissertation zeigt die Herleitung des Quasi-Zwei-Level-PWM-Modus und schlägt zwei geeigne-te Regelungsmethoden vor. Diese sind mittels ei-nes skalierten Prototyps des modularen Multilevel-Umrichters validiert. Simulationen werden einge-setzt, um die Sensitivität der vorgeschlagenen Re-gelungen auf die Unsicherheiten der bekannten Um-richterparameter zu evaluieren. Zusätzlich werdenbesondere Effekte und Eigenschaften des Betriebs-modus untersucht. Diese sind z.B. Spannungsfeh-ler, Reduzierung der Überspannungen bei langenMaschinenkabeln und eine Anwendung mit Flat-

Quasi-Two-Level PWM Operationfor Modular MultilevelConverters: Implementation,Analysis, and Application toMedium-Voltage Motor Drives

by Dr.-Ing. Jakub Kucka

The low-frequency operation of modular multilevelconverters, required by variable-speed drives, isgenerally challenging within the established opera-tion modes. Especially when rated torque beginningfrom zero speed is required and the rated machinespeed is low, the installed module capacitance hasto be very high. A possible solution to this problem isquasi-two-level PWM operation, which reduces thecapacitance by more than one order of magnitude.Although the multilevel property of the modular mul-tilevel converter has to be sacrificed, all other ad-vantages, i.e. small voltage steps limiting the prob-lems with long machine cables and bearing currents,modularity, scalability to higher voltage levels, anda straightforward option to add redundancy, are re-tained from conventionally operated modular multi-level converters.This thesis presents a derivation of the quasi-two-level PWM operation mode and proposes two suit-able control methods. These methods are validatedusing a downscaled prototype of a modular multi-level converter. Simulations are conducted to evalu-ate the sensitivity of the proposed control to uncer-tainities in the knowledge of the converter parame-ters. Furthermore, the specific effects and proper-ties of the operation mode, such as output voltageerrors, reduced overvoltages with long machine ca-bles, and the operation with flat-top modulation, areanalyzed.

Abb. 66: Anders als die Zwei-Level-Spannungsverläufe vonkonventionellen Zwei-Level-Umrichtern vermindern dieQuasi-Zwei-Level-Spannungsverläufe dieReflektionseffekte langer Maschinenkabel (experimentelleVerläufe)Fig. 66: Unlike the two-level voltage waveforms ofconventional two-level inverters, the quasi-two-levelvoltage waveforms diminish the reflection effects of longmachine cables (experimental waveforms)

In addition to the presented control methods, the de-sign process is studied. First, the specific designtrade-offs between the converter parameters are

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Top-Modulation.Neben den vorgestellten Regelungsmethoden wur-de auch die Dimensionierung untersucht. Erst wur-den die für den Betriebsmodus spezifischen Trade-offs der Umrichterparameter identifiziert. Die Eva-luierung dieser Trade-offs hat gezeigt, dass derQuasi-Zwei-Level-PWM-Modus sich besonders gutfür modulare Multilevel-Umrichter mit einer hö-heren Anzahl von Modulen pro Zweig eignet.Im nächsten Schritt wurden quasi-zwei-level-PWM-betriebene modulare Multilevel-Umrichter für meh-rere Fälle von niederfrequenten Mittelspannungsan-trieben dimensioniert. Für die Dimensionierung wur-den das validierte Simulationsmodell und die in derArbeit hergeleiteten analytischen Gleichungen an-gewendet. Zudem wurde das Modell zusätzlich ge-nutzt, um eine dynamische Beschleunigung der Ma-schine zu simulieren. Die Simulationen bestätigendie Plausibilität der durchgeführten Dimensionierun-gen.Die resultierenden Design-Indikatoren werden fürdie einzelnen Dimensionierungsfälle mit den In-dikatoren des konventionell betriebenen modula-ren Multilevel-Umrichters, mit denen des Zweipunkt-Wechselrichters mit einer Serienschaltung vonIGBTs und mit denen des modularen Multilevel-Matrix-Umrichters verglichen. Diese wurden für diegleichen Fälle dimensioniert. Der Vergleich mitdem konventionellen Betriebsmodus des modula-ren Multilevel-Umrichters und mit dem modularenMultilevel-Matrix-Umrichter zeigt Dimensionierungs-vorteile des Quasi-Zwei-Level-PWM-Modus. Wie er-wartet, wird die Verzerrung des Ausgangsstromsmit dem Quasi-Zwei-Level-PWM-Modus deutlich er-höht. Es ist jedoch zu erwarten, dass diese Verzer-rung für die Anwendung in Mittelspannungsantrie-ben akzeptabel ist und kein zusätzlicher Filterauf-wand betrieben werden muss. Zusammenfassendstellen quasi-zwei-level-PWM-betriebene modulareMultilevel-Umrichter eine vielversprechende Alter-native für Anwendungen in niederfrequenten Mittel-spannungsantrieben dar.

doi: https://doi.org/10.15488/4827

identified. The evaluation of trade-offs shows thatquasi-two-level PWM operation is especially well-suited for modular multilevel converters with a highnumber of modules per branch. In the next step, thequasi-two-level PWM-operated modular multilevelconverters are designed for several study cases oflow-frequency medium-voltage drives. The designprocess utilizes the validated simulation model andderived analytic equations. Additionally, the vali-dated model is also used to simulate a dynamic ma-chine acceleration to confirm the plausibility of thedesigns.The resulting design indicators of the conducted de-signs are compared to those of the conventional op-eration mode of the modular multilevel converter,to the two-level voltage-source inverter based onseries-connected IGBTs, and to the modular mul-tilevel matrix converter, which were designed for thesame study cases. The comparison to standard op-eration modes of the modular multilevel converterand to the modular multilevel matrix converter showsdesign advantages for the quasi-two-level PWM op-eration of modular multilevel converters. As ex-pected, the output current distortion is significantlyincreased with the quasi-two-level PWM operation.Nevertheless, the current distortion is likely to beacceptable for medium-voltage drives without addi-tional filter requirements. In conclusion, quasi-two-level PWM-operated modular multilevel convertersare a favorable alternative for applications in low-speed medium-voltage drives.

Abb. 67: Im Vergleich zum konventionell betriebenen MMC istmit dem Quasi-Zwei-Level-betriebenen MMC dieSpeicherkonstante, welche die eingebaute Kapazitätdarstellt, um mehr als eine Größenördnung niedriger als insämtlichen untersuchten FällenFig. 67: Comparing the quasi-two-level PWM-operatedMMC (Q2L) to the conventionally operated MMC (conv.MMC), the energy storage constant, that represents theinstalled module capacitance, is lower by more than oneorder of magnitude in all studied cases

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Fehlererkennung inAntriebssystemen mitpermanentmagneterregtenSynchronmaschinen

von Dr.-Ing. Fabian Oelkers

Die Elektromobilität bietet eine Reihe neuer Mög-lichkeiten für verschiedene Antriebskonfigurationenin Fahrzeugen. Insbesondere Radnabenantrie-be zeigen sich hinsichtlich Fahrdynamik undBauraumausnutzung als vorteilhaft gegenüber kon-ventionellen Elektrofahrzeugen mit Zentralantrieb.Die Substitution der mechanischen Bremse auf derHinterachse ist in dieser Entwicklung ein weitererSchritt, der sich zu durchdenken lohnt, da Kosten,Verschleiß und wiederum Bauraum eingespartwerden können. Erhöhte Ansprüche an die System-verfügbarkeit im Fehlerfall sowie die Ausschöpfungdes maximalen Rekuperationspotentials führen aufmehrsträngige Antriebstopologien, fehlertoleranteUmrichter sowie softwarebasierte Methoden zurFehlererkennung und -behandlung. Letztere sinddas Thema der Dissertation.

Process

Limitcheck

Periodicsignalmodel

Actuators Sensors

Processmodel

Featuregeneration

Change detection

Fault diagnosis

Model-basedfault detection

Signal-model-basedfault detection

Features r, θ, x

U Y

N

Normalbehavior

Analytical symptoms

Diagnosed faults

Faults

Abb. 68: Allgemeine Darstellung zu Ansätzen derFehlerdiagnoseFig. 68: General description of approaches to faultdiagnosis

Die Arbeit beginnt mit der Vorstellung fehlertole-ranter Antriebstopologien und zeigt als Motivationdie Ergebnisse von Fahrzeugtests, bei denendie Auswirkungen verschiedener Fehlerfälle imAntriebssystem auf die Fahrstabilität gezeigtwerden (ohne Fahrassistenzsysteme). Demge-genüber werden die Potentiale einer vorhandenenFehlererkennung und -behandlung gestellt. Umdies zu erreichen, wird im weiteren Verlauf dieModellbildung des elektrischen Antriebssystems,bestehend aus elektrischer Maschine, Leistungs-

Fault Detection in Drive Systemswith Permanent MagnetSynchronous Machines

by Dr.-Ing. Fabian Oelkers

Electric mobility offers a number of new possibil-ities for different drive configurations in vehicles.Wheel hub drives in particular have been provingto be advantageous in terms of driving dynamicsand space utilisation compared with conventionalelectric vehicles with central drive. The substitutionof the mechanical brake on the rear axle is a furtherstep in this development that is worth thinkingthrough, as costs, wear and tear and, in turn, in-stallation space can be saved. Increased demandson system availability in the event of a fault andthe exhaustion of maximum recuperation potentiallead to multi-phase drive topologies, fault-tolerantconverters and software-based fault detection andhandling methods. The latter are the subject of thisdissertation.

L−1

ωel · J

RS

Observer 1

Observer 2

~udq

~ψdq~idq−

~uP

−

~rαβ,1

~rαβ,2

abc

dq

Abb. 69: Mehrfachbeobachterstruktur mit PMSM als zubeobachtende StreckeFig. 69: Multi-observer with PMSM as observed structure

The thesis starts with the presentation of fault-tolerant drive topologies. The motivation are resultsof vehicle tests showing the effects of different fail-ures in the drive system on driving stability (withoutdriving assistance systems). On the other hand, thepotentials of existing fault detection and handlingsystems are identified. This is done by presentingthe modelling of the electric drive system consistingof electric machine, power electronics and drivecontrol. Methods for detecting and handling faultsin the rotor position sensor as well as in the currentand DC link voltage sensors are based on stateobservers and state estimators and generate aredundancy which is used for fault handling in therespective sensors. In addition, various approachesare developed for the detection of inverter faultsand classical methods are compared. Further faults

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elektronik und Antriebsregelung gezeigt. Verfahrenzur Erkennung und Behandlung von Fehlern inder Rotorlage-, Strom- und Zwischenkreisspan-nungssensorik basieren auf Zustandsbeobachternund Zustandsschätzern und erzeugen eine Redun-danz, die zur Fehlerbehandlung in der jeweiligenSensorik genutzt wird. Darüber hinaus werdenfür die Fehlererkennung von Umrichterfehlernverschiedene Ansätze entwickelt und klassischenVerfahren gegenübergestellt. Treten im Systemweitere Fehler (z.B. Wicklungsfehler) auf, die durchdie genannten Verfahren und Methoden nicht abge-deckt sind, werden diese durch eine übergeordneteFehlererkennung basierend auf einer Drehmoment-schätzung erkannt. Das System kann schließlichdurch Schalten des aktiven Kurzschlusses oderder Pulssperre in einen sicheren Zustand überführtwerden.

Die messtechnische Validierung der Verfahren undMethoden erfolgt an einem eigens aufgebautenPrüfstand, der die Anforderungen im Fahrzeug füreinen kleineren Leistungsbereich nachbildet.

occurring in the system, which are not coveredby the aforementioned methods and procedures(e.g. winding faults), are detected by a higher-levelfault detection system based on torque estimation.Finally, the system can be transferred to a safe stateby switching the active short circuit or the pulse lock.

The procedures and methods are validated by mea-surements on a specially constructed test bench,which simulates the requirements in the vehicle fora smaller power range.

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Über System- undRegelungsdynamiken vonWindenergieanlagen und derenEinfluss auf dieUmrichterlebensdauer

von Dr.-Ing. Marcel Morisse

Der Forderung nach besonders zuverlässigen undwartungsarmen Windenergieanlagen steht heutzu-tage eine nicht vernachlässigbare Anzahl von Aus-fällen der Leistungshalbleitermodule bereits in denersten Betriebsjahren gegenüber.Diese Arbeit untersucht zu diesem Zweck die Um-richterbelastung durch thermische Wechselspieleinnerhalb der Leistungshalbleiter aufgrund von beider Umrichterauslegung oft vernachlässigten Sys-temdynamiken, Wechselwirkungen und Regleran-forderungen. Hierfür werden die Unterschiede in derHalbleiterbelastung durch unterschiedlich detaillier-te Modellierungstiefen herausgestellt.Als Basis dieser und weiterer Untersuchungen die-nen zwei der häufigsten Anlagentopologien. Zumeinen ist dies eine Windenergieanlage mit Vollum-richter und permanentmagneterregter Synchronma-schine und zum anderen eine Teilumrichteranlagemit doppelt gespeister Asynchronmaschine.Darüber hinaus werden Anforderungen seitens desNetzbetreibers berücksichtigt, wie die dynamischeNetzstützung im Fall eines Spannungseinbruchs so-wie die Vorgabe eines definierten Leistungsfaktorsder Windenergieanlage am Netzanschlusspunkt.Zusätzlich stehen ausgewählte Regelstrategien imFokus der Untersuchungen, deren Zweck die Le-bensdauerverlängerung bestimmter Anlagenkom-ponenten ist und die in der Folge für eine zusätz-liche Be- oder Entlastung der Umrichter verantwort-lich sind.Die Untersuchungen zeigen schließlich, dass star-ke Vereinfachungen des Anlagenverhaltens für dieUmrichterauslegung zulässig sind, da signifikant nursolche Effekte auf die Lebensdauer wirken, die re-lativ niederfrequente Auswirkungen auf die Arbeits-punkte der Umrichter haben. Dies können zum Bei-spiel Anforderungen des Netzbetreibers an die Um-richter sein oder auch dynamische Regelanforde-rungen wie die Einzelblattverstellregelung bei an-sonsten häufigem Teillastbetrieb der Rotorblattan-triebsumrichter.Die Untersuchungen innerhalb dieser Arbeit le-gen den Schluss nahe, dass durch Modellvereinfa-chungen die thermische Zyklenbeanspruchung leis-tungselektronischer Komponenten in Windenergie-anlagen zum Teil unterschätzt wird. Dies ist nachAnsicht des Autors jedoch nicht allein für die ver-mehrten Frühausfälle dieser Komponenten verant-

About System and ControlDynamics of Wind Turbines andtheir Impact on the Converters’Lifetime

by Dr.-Ing. Marcel Morisse

The demand for highly reliable and low-maintenancewind turbines is contrasted by a multitude of failuresof the power modules in their early years of opera-tion.For this reason, the present work investigates thethermal load cycles within the power semiconduc-tors due to system dynamics, interactions, and con-troler demands which are often neglected in the con-verter design process. This is done by determiningthe differences in the semiconductor loads due todifferent modelling depths.These models represent two of the most commonwind turbine topologies, the permanent magnet syn-chronous generator with a fully rated converter onthe one hand and the doubly fed induction genera-tor with a partially rated converter on the other hand.

Abb. 71: Topologie einer Windenergieanlage mitdoppeltgespeistem Asynchrongenerator und TeilumrichterFig. 71: Topology of a wind turbine with a doubly fedinduction generator and a partially rated converter

In addition, grid operator requirements like the dy-namic grid support in case of a voltage drop as wellas the demand of a defined power factor at the gridconnection point are considered.Furthermore, selected control strategies are investi-gated with the aim to prolong the lifetime of certainturbine components which then leads to a decreaseor an increase of the converter load.The investigations show that great simplifications ofthe system behaviour are admissible for the con-verter design process because only those effectswith rather low-frequency impact on the converter’soperating points have a significant influence on theirlifetime. This might be the grid operator demands forthe main converter or the dynamic control demandsof the individual pitch control at partial load opera-tion for the pitch converter.The findings in this work lead to the conclusion thatstrong simplifications of the underlying models can

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wortlich.

Abb. 70: Vergleich mittels Rainflow-Algorithmus klassifizierterBiegemomentlastzyklen mit und ohneEinzelblattverstellregelungFig. 70: Comparison of bending-moment load cycles withand without individual pitch control classified by rainflowalgorithm

cause an underestimation of thermal power cyclingsof the power electronic components in wind turbines.Nevertheless, according to the author’s opinion,early converter failures in wind turbines cannot beexplained by these underestimations alone.

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Elektrisch erregteSynchronmaschinen fürunterschiedlicheAntriebskonzepte inElektrofahrzeugen

von Dr.-Ing. Jonathan Jürgens

Im Unterschied zu Antriebssystemen mit Verbren-nungsmotoren sind elektrische Antriebe u. a. deut-lich kompakter, was neuartige Baukonzepte ermög-licht. So sind z. B. auch Radnabenantriebe ausführ-bar, die sich in der Dimensionierung deutlich vonden Achsantrieben unterscheiden. Die Wahl desbestmöglichen Antriebssystems für die jeweilige An-wendung bzw. den jeweiligen Baukasten erfordertdaher eine Bewertung der unterschiedlichen An-triebstopologien. Dafür ist eine komponentenüber-greifende Optimierung des Antriebskonzepts un-ter Berücksichtigung der dimensionierungsrelevan-ten Wechselwirkungen notwendig. Die bereits inwissenschaftlichen Veröffentlichungen beschriebe-ne Optimierung der Einzelkomponenten ist hierfürunzureichend.In der Dissertation wird daher der Ansatz einerganzheitlichen Antriebssystemdimensionierung be-schrieben und untersucht. Am Beispiel der Anfor-derungen an ein Fahrzeug der oberen Mittelklas-se werden drei Antriebskonzepte mit elektrisch er-regten Synchronmaschinen (ESM) dimensioniert,von denen zwei Konzepte Achsantriebe mit unter-schiedlichen Getriebeübersetzungen sind und einKonzept vier Radnabenantriebe vorsieht. Diese An-triebstopologien werden hinsichtlich einiger für denAutomotive-Bereich relevanter Eigenschaften unter-sucht, wie beispielsweise den benötigten Bauraum,den Energiebedarf im Fahrzyklus, die maximal er-reichbare Kurzzeit- und Dauerleistung sowie dasakustische Verhalten. Im Mittelpunkt der Disserta-tion steht die für die Bewertung erarbeitete Berech-nungsmethodik. Sie umfasst neben der zeiteffizien-ten und präzisen elektromagnetischen Berechnungmittels numerisch und analytisch gekoppelter Be-rechnungsverfahren auch die thermische Modellie-rung auf Basis von Wärmequellennetzwerken sowiedie Anbindung einer Berechnungsmethodik zur ma-gnetischen Geräuschberechnung.Die Anwendung dieser Berechnungsmethodik führtzu der Erkenntnis, dass der Achsantrieb mit der ge-ringsten Getriebeübersetzung Vorteile bezüglich dermaximal erreichbaren Dauerleistung hat sowie dengeringsten Gesamtsystemenergiebedarf im Fahrzy-klus aufweist. Das Konzept mit den vier Radnaben-antrieben erweist sich insgesamt als unvorteilhaft,da es u. a. den geringsten Systemwirkungsgrad hatund zu den höchsten Schalldruckpegeln führt.

Electrically Excited SynchronousMachines for Different DrivetrainTopologies in Electrical Vehicles

by Dr.-Ing. Jonathan Jürgens

In contrast to conventional drivetrains with inter-nal combustion engines, electrical drives are muchmore compact and, therefore, enable new drivetraintopologies. For example, it is possible to designwheel hub drives which require a considerably dif-ferent dimensioning compared to axle drives.Choosing the most suitable drive system for a par-ticular application or modular system depends uponthe assessment of the different drivetrain topolo-gies. Thus, a cross-component optimization of thedrive system is essential that takes into account theinterdependent interactions relevant for dimension-ing. Optimizing the components separately, whathas been done in the majority of scientific publica-tions so far, is therefore insufficient.This dissertation describes and investigates a holis-tic approach for the dimensioning of electrical drive-trains. Based on the requirements of an upper mid-dle class vehicle, three drive systems with electri-cally excited synchronous machines (ESM) are de-signed and examined. Two of them feature axledrives with different gear ratios whereas the thirdone uses a concept with four wheel hub drives.These drivetrain topologies are evaluated with re-spect to automotive-relevant requirements, such asthe installation space, the energy demand over adriving cycle, the peak power and the maximum con-tinuous power as well as the acoustic behaviour.The developed methodology needed for this cross-domain evaluation is the centre of this dissertation.Besides the time-efficient and precise electromag-netic calculation by means of a coupled numericaland analytical analysis, it includes the thermal mod-elling of the electrical machines based on lumped-parameter thermal networks and the incorporationof a methodology for the calculation of magneticnoise.The application of this methodology for comparingthe three drivetrains shows that the axle drive withthe lowest gear ratio has benefits with regard to themaximum continuous power and shows the lowestoverall energy demand during a driving cycle. Onthe contrary, the wheel hub drive proves to be dis-advantageous due to lowest system efficiency andcomparatively highest sound pressure levels.For the validation of the electromagnetic calculation,measurements are performed on a testbench withan ESM prototype. With an average error of less

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Zur Überprüfung des elektromagnetischen Berech-nungsverfahrens wird der Prototyp einer ESM mess-technisch validiert. Die Auswertung der Leerlauf-und Lastmessungen zeigt insgesamt eine mit mittle-ren Abweichungen von weniger als 3 % hohe Über-einstimmung mit den Berechnungen und bestätigtden Nutzen der erarbeiteten Methodik.

than 3 %, the measurements at no load as well asunder load correspond well with the simulations,proving the benefit of the developed methodology.

Abb. 72: Übersicht über die drei dimensionierten ESM für unterschiedliche GetriebeübersetzungenFig. 72: Overview of the three dimensioned ESM for different gear ratios

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WicklungskopfloseTurbogeneratoren mitMehrphasentransformatoren

von Dr.-Ing. Henrik Schroeder

Das Ziel dieser Arbeit ist die Erforschung eines Kon-zepts für zweipolige Turbogeneratoren, welches denkomplexen Wicklungskopf durch einen Kurzschluss-ring ersetzt (siehe Abb. 73), um dessen axiale Aus-ladung und die Komplexität der notwendigen Stütz-konstruktion zu reduzieren. Dies setzt allerdings ei-ne deutlich höhere Strangzahl der Ständerwicklungvoraus. Zur Verbindung eines wicklungskopflosenTurbogenerators mit dem Energieversorgungsnetzist deshalb ein Mehrphasentransformator erforder-lich, der den konventionellen Maschinentransforma-tor ersetzt.

Abb. 73: KurzschlussringFig. 73: Short-circuit ring

Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Gestaltungderartiger Turbogeneratoren und dabei insbeson-dere ihres Kurzschlussrings und der Untersuchungdes Betriebsverhaltens eines Gesamtsystems. Da-zu wird beispielhaft ein wicklungskopfloser Turbo-generator unter Berücksichtigung der charakteristi-schen Merkmale des Konzepts dimensioniert unddie Gestaltung einer Mehrphasentransformatorwick-lung (siehe Abb. 74) erläutert. Für einen Kurz-schlussring, der die Leiter der Ständerwicklung aufeiner Seite des Beispielgenerators verbindet, wer-den verschiedene Gestaltungsvarianten erarbeitetund hinsichtlich der Stromwärmeverluste und desthermischen Verhaltens betrachtet.Für die Untersuchung des elektrischen Betriebsver-haltens des Gesamtsystems werden die Strom- und

Turbogenerator Concept withoutWinding Overhang Using aMultiphase Transformer

by Dr.-Ing. Henrik Schroeder

In this work, a novel concept for two-pole turbogen-erators is investigated, which replaces the complexend winding with a short-circuit ring (see Fig. 73) toreduce the axial length of the winding overhang andthe complexity of the necessary support structure.As a consequence, this requires a significantly in-creased number of phases. Therefore, a multiphasetransformer is required to connect the generator withthe grid, which replaces the conventional machinetransformer.The focus of this work is on the design of such novelgenerators and their short-circuit ring in particularand on the investigation of the performance of theoverall system. For this purpose, an example gener-ator without winding overhang is dimensioned, tak-ing into account the characteristic features of theconcept, and the design of the multiphase trans-former winding (see Fig. 74) is explained. For theshort-circuit ring, which connects the bars of the sta-tor winding on one side of the machine, various de-sign variants are developed and examined with re-gard to the current copper losses and the thermalbehaviour.

Abb. 74: MehrphasentransformatorFig. 74: Multiphase transformer

For the investigation of the electrical operating be-haviour, the current- and the voltage-vs-time func-tions are determined in steady-state operation. Par-ticular attention is paid to the interaction between themultiphase transformer and the generator as well asto the influence of design details of the transformerwinding on the system behaviour. This is done byexamining and comparing three types of windingswith different numbers of turns. With the knowledgeof the electrical operating behaviour, the losses ofthe example generator are determined. Further-more, a suitability test of a cooling concept is done

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die Spannungs-Zeit-Verläufe im stationären Betriebermittelt. Dabei wird insbesondere auf die Wech-selwirkung des Mehrphasentransformators mit demwicklungskopflosen Turbogenerator sowie auf denEinfluss der Mehrphasentransformatorwicklung aufdas Systemverhalten eingegangen. Dies erfolgtdurch die Untersuchung und die Gegenüberstel-lung von drei Wicklungsvarianten des Mehrphasen-transformators mit unterschiedlichen Windungszah-len. Mit der Kenntnis des elektrischen Betriebsver-haltens werden die Verluste des Beispielgeneratorsermittelt. Weiterhin erfolgt die Tauglichkeitsüberprü-fung eines Kühlkonzepts anhand von Vorausberech-nungen des thermischen Verhaltens. Deren Ergeb-nisse werden genutzt, um Maßnahmen zur Reduzie-rung der Temperaturen in einzelnen Teilbereichender Maschine zu erarbeiten.Aus den Untersuchungen des Betriebsverhaltensdes Beispielsystems werden allgemeine Empfehlun-gen für die Gestaltung wicklungskopfloser Turboge-neratoren und der zugehörigen Mehrphasentrans-formatoren abgeleitet. Die Arbeit schließt mit Erläu-terungen zu den Grenzen des Konzepts sowie zudessen Skalierbarkeit ab.

based on the prediction of the thermal behaviour.The results are used to develop measures to reducethe temperatures of individual subareas of the ma-chine.Based on the investigations of the performance ofthe example system, recommendations for the gen-eral design of turbogenerators without end windingand a multiphase transformer are derived. The workconcludes by explaining the limits of the concept andits scalability.

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Untersuchungen zuAusgangsfiltern inSiliziumcarbid-Antriebswechselrichtern

von Dr.-Ing. Jan-Kaspar Müller

Die stetig wachsende Verfügbarkeit von neuarti-gen Leistungshalbleitern aus Materialien mit ei-nem großen Bandabstand ermöglicht den Auf-bau von hochintegrierten und gleichzeitig effizien-ten Leistungselektroniken. Bedingt durch die deut-liche Steigerung der Schaltgeschwindigkeit ergibtsich ein höheres Potenzial von leitungsgebundenenStöraussendungen, die mit weiteren Komponentenim Antriebsstrang wechselwirken. Vor diesem Hin-tergrund resultiert die Fragestellung, inwiefern undmit welchem zusätzlichen Aufwand in Form vonAusgangsfiltern die Vorteile der Halbleitertechnolo-gie nutzbringend in Antriebswechselrichtern einge-bracht werden können.Nachdem die Grundlagen zur elektrischen undthermischen chipflächenskalierten Modellierung vonLeistungshalbleitern beschrieben sind, werden dieGleich- und Gegentaktspannungen im Antriebssys-tem eingeführt. Darauf aufbauend werden die Aus-wirkungen der kurzen Schaltzeiten und potenzi-ell höheren Schaltfrequenzen beim Einsatz vonSiliziumcarbid-MOSFETs analysiert. Im Rahmender Dimensionierung, des Aufbaus und der Charak-terisierung eines du/dt-Filters sowie eines Sinus-filters werden deren Vor- und Nachteile herausge-arbeitet. Um das Sinusfilter mit volumenreduziertenFilterinduktivitäten aufbauen zu können, wird einehohe Schaltfrequenz von 140 kHz gewählt. Schalt-versuche an einer Halbbrücke erlauben den Ver-gleich von Strommessverfahren mit einer niederin-duktiven Rogowskispule sowie eines Koaxialshuntsund ermöglichen eine Vorhersage der Schaltver-lustenergien für die entwickelte Hardware beste-hend aus der Kommutierungszelle und der Gate-Treiber. Die Beschreibung des luftgekühlten drei-phasigen Wechselrichterprototyps mit einer Nenn-leistung von 10 kW beinhaltet CFD-Simulationen zurthermischen Modellbildung. Mittels einer Frequenz-bereichsanalyse der Gleichtaktimpedanzen werdendie Ersatzschaltbildgrößen zur Beschreibung derleitungsgebundenen elektromagnetischen Störaus-sendung für das untersuchte elektrische Antriebs-system bestimmt. Die Rückwirkungen der Strom-welligkeit in der Filterinduktivität des Sinusfilters aufdie Ein- und Ausschaltverlustenergien in den Halb-leitern werden mit den Ausführungen zu weichenSchaltvorgängen herausgearbeitet. Die möglichehohe Schaltfrequenz bei gleichzeitig steilen Schalt-flanken kann in dem Zusammenspiel mit einemSinus-Ausgangsfilter gewinnbringend in Antriebs-

Investigation on Output Filters inSilicon Carbide Based MotorDrive Inverters

by Dr.-Ing. Jan-Kaspar Müller

The increasing availability of wide bandgap basedpower semiconductors allows for highly efficient andintegrated power electronic designs. Due to thelow switching losses, the switching frequency canbe extended by orders of magnitude. Neverthe-less, the increased switching speed also raises con-cerns regarding the conducted emissions in a mo-tor drive application and the interaction among thecomponents. Therefore, the question arises how thenew semiconductor technologies can be used ben-eficially in such an application, e.g. by introducingoutput motor filters.After giving an overview of the scalable electricaland thermal semiconductor modelling, the commonand differential mode voltages in a drive systemare introduced. Subsequently, the potential effectsof an increased switching speed and frequency onthe conducted emission by using SiC-MOSFETs arehighlighted. Next, the sizing and characterization ofa dv/dt and sine-wave output filter are carried outand the specific properties are compared. To takeadvantage of the inductor volume reduction effectfor the sine-wave filter, a high switching frequency of140 kHz was selected. Preliminary detailed doublepulse tests based on a half bridge configuration withthe self-designed commutation cell and gate driverare used to derive the switching loss energies. Fur-thermore, the setup allows the comparison of differ-ent current-sensing techniques with a non-intrusiveRogowski coil as well as a coaxial shunt with a highbandwidth. Hereinafter, the development of the lab-oratory three-phase inverter prototype with a ratedpower of 10 kW is described while focussing on thethermal modelling of the air-cooled system based onCFD simulations. A frequency domain analysis ofthe common mode impedance for each componentis used for the prediction of the conducted emissionsin the motor drive. As the volume-optimized sine-wave filter inductor exhibits a large current ripple,the retroactive effects on the turn-on and turn-offlosses are examined by considering soft-switchingeffects. Applying a sine-wave output filter to a SiC in-verter offers the beneficial possibility of an increasedswitching frequency and speed also in motor driveapplications. This is accomplished through a sig-nificant reduction of the conducted emissions andthe interactions among the SiC inverter and the loadwhile ensuring a compact filter stage and a high ef-ficiency. Last, the required chip area for both filtersis evaluated.

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systemen umgesetzt werden. Neben einer durch-aus kompakten Filterstufe werden auch bereits diegestiegenen Anforderungen bezüglich der elektro-magnetischen Verträglichkeit berücksichtigt und dieWechselwirkungen mit der angeschlossenen Lastsignifikant reduziert bei gleichzeitig hohen System-wirkungsgraden. Zuletzt erfolgt die Bestimmung desChipflächenbedarfs der Leistungshalbleiter für diebeiden untersuchten Ausgangsfilter.Die hohe Genauigkeit der beschriebenen Modellewird anhand von Messungen der Verlustleistung amaufgebauten Demonstrator bestätigt und demons-triert. Weitere zentrale Beiträge dieser Arbeit dienender Untersuchung der Genauigkeit von konventio-nellen Messmethoden zur Beschreibung der Wech-selwirkungen von SiC-Halbleitern in Antriebssyste-men.

Abb. 75: Luftgekühlter SiC-Wechselrichter mit integriertemdu/dt-Ausgangsfilter an der Seite des KühlkörpersFig. 75: SiC inverter design with forced convection anddv/dt filter mounted on the side of the heat sink

By characterizing the laboratory prototype with apower analyzer, the high accuracy of the powerloss modelling is evaluated and the functionality isdemonstrated. Beyond that, major contributions ofthis work focus on the limitations of conventionalmeasurement methods to characterize the effects ofSiC power transistors in motor drive systems.

Abb. 76: Gegentakt-Spannungsspektren am Ein- undAusgang der SinusfilterstufeFig. 76: Differential mode voltage spectra on thesine-wave filter input and output side

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Das Institut | The Institute


Mitarbeitende des IAL

Auf den folgenden Seiten präsentieren sich die Mit-arbeiterinnen und Mitarbeiter des IAL, die zum Jah-reswechsel 2020/2021 zum Team gehörten. Dieje-nigen, die zu Beginn des Jahres 2019 noch am IALwaren, aber uns bis zum Ende des Jahres 2020bereits verlassen haben, sind separat aufgeführt.Die Anzahl der wissenschaftlichen Mitarbeiter konn-te, vor allem dank erfolgreicher Projekteinwerbun-gen unserer Juniorprofessoren, gegen über dem zu-vor schon hohen Niveau noch etwas erhöht werden,was sich naturgemäß auch bei der Anzahl der Zu-und Abgänge bemerkbar macht. Verlassen habenuns Frau Korolova und Frau Zulk sowie die HerrenJohn, Kucka, Lücke, Müller, Narjes, Raziee, Red-lich, Rehfeldt, Sommer, Vip und Wohlers. Dem ste-hen als Neuzugänge gegenüber Frau Dierks, Ebers-berger, Frey und Wankhede und die Herren Ap-te, de Barros, Cao, Dittmann, Fröhling, Henkenjo-hann, Himker, Jünemann, Keuter, Kostka, Lorenz,Nörenberg, Schepe, Schubert, Suchan, Strunk, Ta-tusch, Wenzel, Zhang und Zhu. Unter den Mitarbei-terinnen im Geschäftszimmer und den technischenMitarbeitern in unserer Werkstatt gab es erfreuli-cherweise keine Veränderungen, so dass wir wei-ter auf ein bewährtes und außerordentlich leistungs-starkes Team zählen können. Besondere Erwäh-nung verdient, dass sich Herr Rudolph mit großempersönlichen Engagement und trotz der coronabe-dingt schwierigen Randbedingungen zum Industrie-meister weiterqualifiziert und die Meisterprüfung imOktober 2020 erfolgreich absolviert hat – wir gratu-lieren! Da unserer Administrator Herr Lippert schonseit drei Jahren parallel zu seiner Tätigkeit am IALein Studium zum Berufsschullehrer absolviert unduns im Jahr 2021 verlassen wird, haben wir mitHerrn Lomis einen Nachfolger für diese zentrale Po-sition gewinnen können und bereits im Dezember2020 eingestellt, um eine gute Einarbeitung und ei-ne reibungsarme Überleitung der Aufgaben sicher-zustellen. Mit Herrn Dr. Dotz konnten wir zum Som-mersemester einen neuen Lehrbeauftragten gewin-nen, der eine englischsprachige Spezialvorlesungzu elektrischen Maschinen für unsere englischspra-chigen Masterstudiengänge beisteuert. Eine weitereÄnderung steht im Jahr 2020 an, da Herr Dr. Möl-ler auf eigenen Wunsch im Sommersemester 2020letztmalig seine beliebte Vorlesung zu elektrischenBahnen und Fahrzeugantrieben gehalten hat. Wirfreuen uns, mit Herrn Dr. Germishuizen aus demNürnberger Maschinen- und Apparatewerk der Sie-mens AG eine kompetente Persönlichkeit gefundenzu haben, die den diese Vorlesung ab dem Sommer-semester 2021 weiterführen wird. An dieser Stelle

IAL Staff

The following pages present the IAL staff memberswho were part of the team at the turn of the year2020/2021. Those who were still with the IAL at thebeginning of 2019 but already left us by the end of2020 are listed separately. The number of scientificstaff could be still increased compared to the exist-ing high level, mainly thanks to successful projectacquisitions by our junior professors, which is re-flected by the number of new researchers and thoseleaving the institute. Mrs Korolova and Mrs Zulk aswell as Mr John, Mr Kucka, Mr Lücke, Mr Müller,Mr Narjes, Mr Raziee, Mr Redlich, Mr Rehfeldt,Mr Sommer, Mr Vip and Mr Wohlers left the team.New team members are Mrs Dierks, Ebersberger,Frey and Wankhede and Mr Apte, de Barros, Cao,Dittmann, Fröhling, Henkenjohann, Himker, Jüne-mann, Keuter, Kostka, Lorenz, Nörenberg, Schepe,Schubert, Suchan, Strunk, Tatusch, Wenzel, Zhangand Zhu. Fortunately, we had no changes amongthe employees in the office and the technical staffin our workshop, so that we can further count ona proven and extraordinarily efficient team in thefuture. Special mention should be made of Mr.Rudolph’s great personal commitment to his fur-ther qualification as an Industriemeister (industrialmaster craftsman), despite the difficult conditionscaused by Corona, and his successful completionof the Meisterprüfung (master craftsman’s examina-tion) in October 2020 - many congratulations! Sinceour administrator Mr Lippert pursued his studies tobecome a vocational school teacher during the lastthree years in parallel to his work at the IAL and hisleave is scheduled for 2021, we had to find a suc-cessor for this central position. Already in Decem-ber 2020, we could luckily hire Mr Lomis, enablinga good onboarding and a smooth transition of tasks.With Dr Dotz, we were able to win a new lecturerfor the summer term, who will give a special coursein English on electrical machines for our English-language Master’s degree programmes. Anotherchange was due in 2020, as Dr Möller decided tohold his popular lecture on electric traction and ve-hicle drives for the last time in the 2020 summerterm. We are pleased to have won Dr Germishuizenfrom the Nürnberger Maschinen- und Apparatewerkof Siemens AG as a competent partner to continuethis lecture, beginning in the summer term of 2021.At this point, we would like to express our deepestgratitude to all former and current staff members fortheir many years of participation and the high levelof professionalism and visibility we have achieved atall levels.

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gilt allen ehemaligen und aktuellen Mitarbeitern un-ser herzlichster Dank für ihre langjährige Mitwirkungund die hohe Professionalität und Sichtbarkeit, diewir auf allen Ebenen erreicht haben.

Mitarbeitendenstatistik | Numbers of Employees

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 20200

10

20

30

40

50

60

70

Professoren | ProfessorsJuniorprofessoren | Junior professorsMTV aus Landesstellen | Publicly funded tech./admin. staffMTV aus Drittmitteln | Third-party funded tech./admin. staffOberingenieure | Senior engineersWM aus Landesstellen | Publicly funded researchersWM aus Drittmitteln (DFG, BMBF, etc.) | Third-party funded researchers (DFG, BMBF, etc.)WM aus Drittmitteln (Industrie) | Third-party funded researchers (industry)Stipendiaten | Scholarships

11 12,3

18,3

23

29,7

3637,6

41 40,444,5

52,655,5

57,5

48,9 49

56,4

63,2

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Prof. Dr.-Ing. Axel Mertens

Welfengarten 130167 Hanover, Germany

Phone: +49(0)511/762-2471Fax: +49(0)511/762-3040E-mail: [email protected]

Curriculum Vitae

• 1982 to 1987 Studies and graduation(Dipl.-Ing.) in Electrical Engineering,RWTH Aachen, Germany

• 1987 to 1992 Research associate at theInstitute for Power Electronics andElectric Drives (ISEA) at RWTH Aachen

• 1989 Herbert Kind Award of the ETG (VDE)

• 1989 to 1990 Research associate at the University ofWisconsin at Madison, USA

• 1992 Doctor in Electrical Engineering at RWTH Aachen

• 1992 IEEE IAS IPCC 2nd Prize Paper Award, Borchers-Plakette, Friedrich-Wilhelm-Preis

• 1993 to 2004 Siemens AG at Erlangen and Nürnberg as R&D engineer, head of converter control devel-opment for large drives, and product manager for medium-voltage converters

• 2004 Appointed full professor for Power Electronics at Leibniz Universität Hannover

Further Activities

• Member at large of IEEE Power Electronics Society Administrative Commitee

• Board Member of the Leibniz Research Centre “Energy 2050 – Transformation of the Energy System”founded at Leibniz Universität Hannover

• Associate Editor of the journal “IEEE Transactions on Power Electronics”

• Member of the Executive Council and the International Scientific Committee of the EPE Association

• Advisor for Department "Power Electronics and Device Technology" within Fraunhofer Institute for WindEnergy and Energy System Technology (IWES), until 2020

• Advisor for Department “Electric Components and Systems” within Fraunhofer Institute for ManufacturingTechnology and Applied Materials Research (IFAM), until 2017

• Board Member of Energy Research Centre Lower Saxony (EFZN), until 2016

• Dean of the Faculty of Electrical Engineering and Computer Science, Leibniz Universität Hannover, until2015

• Chairman of the Division Q1 Power Electronics of the Power Engineering Society ETG (Technical Societyof the VDE), until 2012

• Chairman of IEEE IAS/IES/PELS Joint German Chapter, until 2012

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Prof. Dr.-Ing. Bernd Ponick



Curriculum Vitae

• 1984 to 1990 Studies and graduation (Dipl.-Ing.)in Electrical Engineering/Power Engineering,University of Hannover, Germany

• 1986 Philips Award

• 1990 to 1994 Research associate at the Institutefor Electrical Machines and Drives at theUniversity of Hannover

• 1994 Doctor in Electrical Engineering at the Universityof Hannover

• 1995 to 2003 Design engineer for large variable speed motors at Siemens Dynamowerk Berlin, Head ofthe Electrical Design and Offer Processing Department, Technical Director

• 2003 Appointed full professor for Drive Systems at the University of Hannover

• 2017 IEC 1906 Award

Further Activities

• Since 2005 member and since 2016 convenor of K 311 committee “Rotating Electrical Machines“ of theDKE German Commission for Electrical, Electronic & Information Technologies of DIN and VDE

• 2007 to 2016 chairman of the IEC/TC 2 “Rotating Machinery”, being responsible for the internationalstandardization of rotating electrical machines

• Since 2006 convenor of Working Group 12 and member of Maintenance Team MT 9 of IEC/TC 2 “RotatingMachinery“

• Since 2019 member of Working Group 31 and Project Leader for international standardization of efficiencyclasses for high voltage induction motors

• Member of VDE ETG A1 Group “Electrical Machines and Drives, Mechatronics“

• Member of VDE GMM Technical Committee 3.3 "Electrical Servo Drives"

• Since 2007 elected Academic Dean for Electrical Engineering and Information Technology at LeibnizUniversity Hannover

• Advisor for Department “Electric Components and Systems” within Fraunhofer Institute for ManufacturingTechnology and Applied Materials Research (IFAM), until 2017

• Advisor for Department "Power Electronics and Device Technology" within Fraunhofer Institute for IEE

• Since 2010 board member of the Lower Saxony Research Centre for Vehicle Technology (NFF)

• 2007-2020 board member of the Hannover Centre for Mechatronics (MZH)

• 2012-2020 elected member of the German Research Foundation (DFG) Review Board 408 "ElectricalEngineering"

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Jun.-Prof. Dr.-Ing. Amir Ebrahimi



Curriculum Vitae

• 1990 - 2002 School: Uninterrupted best of year

• 2002 - 2006 Bachelor of Science in ElectricalEngineering at the University of Shiraz, Iran

• 2006 - 2008 Master of Science in ElectricalEngineering at the Iran University of Science andTechnology - Best of year

• 2009 - 2013 PhD in Electrical Engineering at theUniversity of Stuttgart, Germany - Full scholarship

• 2013 - 2017 Project manager / group manager for drivesystems and exoskeletons at Fraunhofer Institutefor Manufacturing Engineering and Automation IPA, Stuttgart, Germany

• 2017 Appointed Junior Professor of Hydrogenerators at Leibniz Universität Hannover

• 2017 Appointed and senior expert for drive systems for excellent research at IPA

• 2020 Positive evaluation of research and teaching activities as Jun.-Prof. as proof of the ability to hold afull professorship (W3)

Further Activities

• Analytical and numerical modelling of synchronous machine

• Generator-inverter interactions (bearing current, additional losses)

• Design of automated calculation tools for electrical machines

• Intelligent optimization algorithms for the design of highly efficient electrical machinery

• Multi-domain modelling of wind and hydrogenerators

• Wearable robotic and actively powered exoskeletons for industrial and medical applications

• Co-founder and appointed member of European research committee on wind drive systems

• Elected member of the German American Frontiers of Engineering 2019

• Member of the EPE ECCE 2022 Local Organizing Committee

• Member of European Educational Research Association

• Academic director of Etech-Akademie

• Reviewer of IEEE Transactions on Industrial Electronics, Journal of Energy Efficiency, Journal of WearableTechnologies, Archives of Electrical Engineering, EuroTech postdoc program

• Elected Chair of IEEE International Conference on Industrial Electronics, Energy Efficiency in MotorDriven Systems, IEEE Southern Power Electronics Conference

• Nominated for the Prize for Excellent Teaching 2019

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Jun.-Prof. Dr.-Ing. Jens Friebe



Curriculum Vitae

• 2004 to 2007 Vocational training as ElectronicsTechnician for Industrial Engineering at SMASolar Technology AG

• 2004 to 2009 Study of Electrical Engineering atthe University of Kassel in an integrated degreeprogram in association with SMA Solar Technology AG.Best of year with one semester reduced length of study.

• 2009 to 2017 Development engineer for power electronics,finally as Senior Engineer for power electronicspackaging at SMA Solar Technology AG

• 2014 Doctoral degree (Dr.-Ing.) at the University of Kassel (summa cum laude)

• 2018 Appointed Junior Professor of Passive Components for Power Electronics at Leibniz UniversitätHannover

• 2020 Positive evaluation of research and teaching activities as Jun.-Prof. as proof of the ability to hold afull professorship (W3).

Further Activities

• Magnetic components

• Power electronics packaging

• Capacitors

• Power converters with WBG semiconductors, especially GaN

• Filter design for grid-tied inverters and drive systems

• Faculty Advisor of the LUH student teams of IEEE IFEC’19, ’20, ‘21/22. Finalist Award IFEC’19, Certificateof Excellence IFEC’20

• Acquisition of approx. 1Mio C third-party funds per year for the LUH (2018-2020), approx. 0.5Mio C peryear for the own research group.

• Elected deputy as Principal Investigator of the "Qualification and Equal Opportunity Committee" of theDFG Cluster of Excellence “Sustainable and Energy Efficient Aviation”

• Elected member of the EPE ECCE Europe International Scientific Committee

• Member of the EPE ECCE 2022 Local Organizing Committee and Young Professional Chair

• Reviewer of IEEE Transactions on Power Electronics, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics inPower Electronics, EPE – IEEE ECCE Europe Series, IPEMC – IEEE ECCE Asia

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Professoren | Professors

Prof. Dr. -Ing. Prof. Dr. -Ing.Axel Mertens Bernd Ponick

Leistungselektronik & Antriebsregelung df Elektrische Maschinen & Antriebssysteme dfPower Electronics & Drive Control Electrical Machines & Drive Systems

Juniorprofessoren | Junior Professors

Jun.-Prof. Dr. -Ing. Jun.-Prof. Dr. -Ing.Amir Ebrahimi Jens Friebe

dghds Wasserkraftgeneratoren dfghjdsds Passive Komponenten der LeistungselektronikHydropower Passive Components in Power Electronics

Professoren i.R. | Retired Professors

em. Prof. Dr.-Ing. Prof. i.R. Dr.-Ing. Prof. i.R. Dr.-Ing.H. O. Seinsch H.-D. Stölting Johannes Nestler

Gastdozenten | External Lecturers

Dr.-Ing. Hon.-Prof. Dr. M.L.E. Dr.-Ing.Boris Dotz Kai Gent Georg Möller

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Oberingenieure | Senior Engineers

Dr.-Ing. Dr.-Ing.ddddddddd Robert Meyer ddddddddd ddddddd Jörn Steinbrink ddddddd

Verwaltungsteam | Administrative Staff

ReNo-Fachangestellte ddKauffrau Büromanagementdd Dipl.-Jur.Birgit Kalberlah Elfi Jeschina Beate Pieschel

Technische Mitarbeiter | Technical Staff

Elektroniker ddIndustriemeister ETdd Dipl.-Ing. (FH) ddFachinformatikerTim Bergte Jörg-Uwe Hammer Clemens Larivière ddHanno Lippert

Fachinformatiker hfdh Industriemeister dftdh IndustriemeisterSpiridon Lomis Sebastian Rudolph Carsten Selke

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Wissenschaftliches Mitarbeiterteam | Team of Research Associates

M.Sc.Mohammad Ali

M.Sc.Jan Andresen

M.Sc.Pramod Apte

M.Sc.Bakr Bagaber

M.Sc.Björn Berweiler

M.Sc.Maximilian Bieber

M.Sc.Tobias Brinker

M.Sc.Yongtao Cao

M.Sc.Allan de Barros

M.Sc.Rebecca Dierks

M.Sc.Jochen Dittmann

M.Sc.Marc Dokus

M.Sc.Janine Ebersberger

M.Sc.Marc England

M.Sc.Leon Fauth

M.Sc.Pauline Frey

M.Sc.Torben Fricke

M.Sc.Sören Fröhling

M.Sc.Martin Gerlach

M.Sc.Elmar Haschen

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M.Sc.Daniel Heide

M.Sc.Jonas Henkenjohann

M.Sc.Daniel Herwig

M.Sc.Niklas Himker

M.Sc.Alexander Hoffmann

M.Sc.Max Hullmann

M.Sc.Lennart Jünemann

M.Sc.Matthias Kalla

M.Sc.Ralf Keuter

M.Sc.Benjamin Knebusch

M.Sc.Benedikt Rafael Kostka

M.Sc.Jan Königsberg

M.Sc.Siqi Lin

M.Sc.Georg Lindemann

M.Sc.Malte Lorenz

M.Sc.Mina Mirzadeh

M.Sc.Hedieh Movagharnejad

M.Sc.Christian Nörenberg

M.Sc.Dominik Reitmeier

M.Sc.Constantin Schepe

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M.Sc.Marius Schubert

M.Sc.Frederik Stallmann

M.Sc.Jan-Ole Stockbrügger

M.Sc.Robin Strunk

M.Sc.Anton Suchan

M.Sc.David Tatusch

M.Sc.Stefan Urbanek

M.Sc.Yugandhara Wankhede

M.Sc.Johannes C. Wenzel

M.Eng.Julius Wiesemann

M.Sc.Dapu Zhang

M.Sc.Xi Zhu

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Ehemalige Mitarbeitende, Doktoranden und DozentenFormer Staff Members, PhDs and Lecturers

Dr.-Ing.Malte John

M.Sc.Olga Korolova

Dr.-Ing.Jakub Kucka

M.Sc.Stefan Lücke

Dr.-Ing.Jan-Kaspar Müller

Dipl.-Ing.Gerrit Narjes

M.Sc.Morteza Raziee

M.Sc.Jürgen Redlich

Dr.-Ing.Alexander Rehfeldt

Dr.-Ing.Volker Schöber

M.Sc.Christian Sommer

M.Sc.Stephan Vip

M.Sc.Constantin Wohlers

Dipl.-Ing.Silvia Zulk

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Chronik 2019/20 | Chronicle 2019/20

2019

Januar 2019

01.01. Rebecca Dierks und Niklas Himker beginnenals Assistentin und Assistent am IAL.

17.-20.01. Teambildungs-/Strategieworkshop inMarianska (Erzgebirge), Erholungsheim derTschechischen Akademie der Wissenschaften Prag

18.01. Vorträge von Silvia Zulk und Mohammad Aliauf dem LE-Nord-Kolloquium in Magdeburg

23.-24.01. Prof. Ponick und Marc England halten aufder Fachkonferenz OVE MoreDrive 2019 den Vor-trag "Automatisierter Entwurf von Haarnadelwick-lungen anhand von tabellarischen Belegungsplä-nen" in Wien, Österreich.

31.01. Letzter Arbeitstag von Malte John undFeuerzangenbowle für Hiwis und Studenten

Februar 2019

01.02. Ralf Keuter beginnt als Assistent am IAL.

01.02. Exkursion zur Firma Infineon nach Warsteinim Rahmen der Vorlesung Leistungshalbleiter undAnsteuerungen

06.02. Jun.-Prof. Ebrahimi organisiert eine Schu-lung zum Leiterplattenentwurf von Firma Zucken.

07.02. Exkursion zu LDW nach Bremen im Rahmender Vorlesung Grundlagen der elektromagnetischenEnergiewandlung

19.02. Jun.-Prof. Friebe hält den Vortrag "Freiheits-grade und Forschungsaspekte in der Elektrifizierungvon Flugzeugen" auf dem EFZN-Forschungstag.

25.02. Vortrag von Dr. Kai Brune von der Firma Audiim Rahmen des IAL-Kolloquiums

März 2019

14.03. Doktorprüfung von Malte John

15.-21.03. Tobias Brinker und drei Studentennehmen an der zweiten Runde des IEEE Wettbe-werbs International Future Energy Challenge 2019während der APEC im Anaheim Convention Center,Los Angeles, USA teil.

27.03. Vortrag von Jun.-Prof. Friebe, Span-nungsbelastung magnetischer Bauelemente durchWBG-Leistungshalbleiter, auf der ZVEI Jahresta-gung 2019 der Fachverbände Transformatoren &Stromversorgungen sowie Electrical Winding & In-sulation Systems

28.-29.03. Prof. Ponick leitet die Halbjahressitzungdes DKE K311 in Dresden.

31.03. Letzter Arbeitstag von Olga Korolova undChristian Sommer

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April 2019

01.-02.04. Institutsworkshop in Wöltingerode

01.04. Dapu Zhang beginnt als Assistent am IAL.

04.-05.04. Prof. Ponick und Prof. Mertens halten einHdT-Seminar zu Wechselwirkungen zwischen Motorund Frequenzumrichter in München.

10.04. Prof. Ponick leitet die Sitzung von IEC TC2WG12 in Frankfurt

11.04. Doktorprüfung von Tobias Krone

18.04. Doktorprüfung von Johannes Heseding

24.04. Institutsführung und Themenfrühstück fürherausragende Studierende

25.04. Institutsbowling

29.04. Vortrag von Dr. Stijn Stevens von derFirma skytron energy GmbH im Rahmen des IAL-Kolloquiums

30.04. Letzter Arbeitstag von Silvia Zulk

Mai 2019

01.05. Anton Suchan beginnt als Assistent am IAL.

02.05. Prof. Ponick beteiligt sich an einer Podiums-diskussion der Fridays for Future-Initiative im Kali-Chemie-Hörsaal.

07.-09.05. Teilnahme von Jun.-Prof. Friebe und Prof.Mertens, von Siqi Lin und Julius Wiesemann mitPosterbeiträgen und Silvia Zulk mit einem Vortragauf der PCIM in Nürnberg.

10.05. Niklas Himker wird für seine Masterarbeit mitdem Studienpreis der SEW-EURODRIVE-Stiftungin Bruchsal ausgezeichnet.

12.-15.05. Posterbeiträge von Torben Fricke,Alexander Rehfeldt, Stefan Urbanek und StefanUdema (HS) auf der IEMDC-Konferenz 2019 in SanDiego, USA

12.-22.05. Besuch im Rahmen des CAPSTONE-Projekts von amerikanischen Studenten von derPurdue Universität und der UTEC aus Lima in Peruunter der Betreuung von Stephan Vip und DominikReitmeier am IAL

13.05. Vortrag von Herrn Marek Rylko von der FirmaSMA Magnetics Sp., Polen, im Rahmen des IAL-Kolloquiums

14.05. Doktorprüfung von Jakub Kucka

17.05. Prof. Ponick nimmt an der Sitzung des In-ternational Advisory Board des Instituts für Ther-momechanik der Tschechischen Akademie der Wis-senschaften in Prag teil.

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20.-24.05. Rebecca Dierks und Leon Fauth nehmenmit Posterbeiträgen an der ECPE European PhD-School in GaetaI, Italien, teil.

24.-30.05. Teilnahme von Prof. Mertens amGerman-Korean Power Electronics Symposium inSeoul und an der IEEE ECCE Asia 2019 in Busan,Südkorea

Juni 2019

03.-06.06. Marc Dokus hält einen Vortrag auf derPEDG 2019 in Xian, Shaanxi, China.

03.06. Vortrag von Herrn Gerd Neeser von derFirma VfdConsult im Rahmen des IAL-Kolloquiums

04.06. Doktorprüfung von Michael Hackbart

04.06. Hiwi-Grillen

05.06. Hochschulsportfest mit Teilnahme desImmer-Am-Limit-Fußballteams des IAL

06.06. Vortrag von Herrn Dr. Lennart Baruschka vonder Firma Siemens, China, im Rahmen des IAL-Kolloquiums

10.-12.06. Auf der AST 2019, St. Petersburg, Russ-land, wird ein Paper mit Co-Autor Alexander Hoff-mann präsentiert.

11.-12.06. Prof. Mertens und Prof. Ponick schulenMitarbeiter des internationalen Patentamts in DenHaag zur elektrischen Antriebstechnik.

11.-13.06. Pfingstexkursion nach Süddeutschlandzu den Firmen Siemens in Nürnberg, Wittenstein inIgersheim und Hofer Powertrain GmbH in Würzburgmit den Juniorprofessoren Ebrahimi und Friebe

12.-14.06. Jun.-Prof. Friebe nimmt an dem 28thIEEE International Symposium on Industrial Elec-tronics in Vancouver, Canada, mit der Präsentationeines Papers und der Leitung der Session teil.

17.-20.06. Auf der International Wind Energy Sci-ence Conference (WESC) 2019 in Cork, Ireland,hält Jun.-Prof. Ebrahimi einen Vortrag.

20.06. Vortrag von Charles Sullivan (IEEE Fel-low), New Hampshire, USA, im Rahmen des IAL-Kolloquiums

25.-29.06. Teilnahme und Vortrag von Prof. Mertensbei der FEPPCON X Future of Electronic Power Pro-cessing and Conversion (IEEE PELS) in Tromso,Norwegen.

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28.06. Max Hullmann erhält für seine Masterarbeitin Heidenheim den Hanns-Voith-Stiftungspreis imBereich Wasserkraft.

29.06. Die IAL-Band tritt auf einer Veranstaltung desSC Germania List auf.

30.06. Letzter Arbeitstag von Gerrit Narjes

Juli 2019

04.07. Sommerfest der LUH

11.07. Jun.-Prof. Ebrahimi und Jürgen Redlich hal-ten bei der Etech-Akademie das Online-Seminar"Entwurf elektrischer Maschinen für Elektro-fahrzeuge".

12.-23.07. Gastaufenthalt und Vorträge von Prof.Mertens an der University of Chile in Santiago (Prof.Patricio Mendoza)

28.-31.07. Teilnahme am Finale des IEEE-Wettbewerbs International Future Energy Challenge

2019 in Madison von Tobias Brinker und den Stu-denten Hauke Heeren und Felix Willer und demErreichen des 5. Platzes von 27 teilnehmendenTeams

August 2019

01.08. Yugandhara Wankhede und Malte Lorenz be-ginnen als Assistentin und Assistent am IAL.

01.08. Jarren Lange von der University of the Wit-watersrand in Johannesburg, Südafrika, kommt alsGastwissenschaftler für drei Monate ans IAL.

01.08. IAL-Betriebsausflug mit Wanderung desGeokurses und Bosseln von Bennemühlen bis Bis-sendorf zum Grill-Ausklang bei Prof. Mertens

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20.08. John Hayes (University College Cork, vor-mals GE, Mitarbeit am EV1, Autor des Buches Elec-tric Powertrain) hält ein dreistündiges Seminar fürMitarbeiter, Studierende und Industriepartner desIAL.

27.-29.08. Jan Andresen, Torben Fricke, StephanVip und Matthias Kalla nehmen an der AEGEANConference on Electrical Machines and Power Elec-tronics in Istanbul, Türkei, teil.

31.08. Letzter Arbeitstag des FWJlers Linus Götte

September 2019

01.09. Yongtao Cao beginnt als Assistent am IAL.

02.09. 6-wöchiger Besuch des Gast-wissenschaftlers Prof. Patricio Mendoza Araya vonder Universität Santiago de Chile

03.-05.09. Eine Abordnung des IAL mit Prof.Mertens und Jun.-Prof. Friebe sowie RebeccaDierks, Tobias Brinker, Leon Fauth, Jakub Kucka,Siqi Lin, Ass. Prof. Mendoza nimmt mit Vorträgenund Sitzungsleitungen an der Konferenz EPE 2019- ECCE Europe in Genova teil.

04.-05.09. Vorstellung des Institutes und derProjekte auf dem E-MOTIVE Expertenforum inSchweinfurt von Alexander Hoffmann

04.09. Prof. Mertens wird in das Executive Councilder EPE Association gewählt.

09.-10.09. Prof. Mertens nimmt mit Niklas Himkerund Georg Lindemann mit Vorträgen an der IEEESLED 2019 in Turin, Italien, teil.

10.-11.09. Prof. Ponick hat die Sitzungsleitung beider IKMT in Würzburg und Alexander Hoffmannimmt mit einem Paper teil.

17.-19.09. Jun.-Prof. Ebrahimi, Max Hullmann,Alexander Hoffmann, Mina Mirzadeh, JürgenRedlich, Alexander Rehfeldt nehmen an derEEMODS Konferenz in Tokyo, Japan teil.

18.-19.09. Prof. Ponick hält einen Vortrag auf demTechnischen Tag der VEM in Wernigerode.

26.-27.09. Prof. Ponick leitet die Halbjahressitzungdes DKE K311 in Amberg.

29.09.-03.10. Prof. Mertens und Jan Müller nehmenmit Vortrag an der IEEE-ECCE Konferenz (11th En-ergy Conversion Congress & Expo) in Baltimore teil.Teilnahme von Prof. Mertens am Adcom Meetingder IEEE PELS.

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Oktober 2019

07.10. Doktorprüfung von Fabian Oelkers

09.10. Vortrag zu Microgrids in Chile von AssistantProf. Patricio Mendoza-Araya, University of Chile, imLiFE2050

10.10. Besuch von Prof. Mertens an der Univ. ofEindhoven, NL, Prof. Lomonova, als Opponent einerDoktorprüfung

17.10. Teilnahme von Prof. Ponick, Martin Gerlach,Alexander Hoffmann, Georg Lindemann, Dr. RoberMeyer, Dominik Reitmeier und Julius Wiesemannbeim e-Mobility-Treffen in Mannheim

17.10. Prof. Zadeh von der NTNU Trondheim, Nor-wegen, besucht Jun.-Prof. Ebrahimi und das IAL.

22.-23.10. Jun.-Prof. Ebrahimi nimmt in Berlin amVDI CIGRE Symposium und der EXO-Konferenzteil.

24.-25.10. Prof. Mertens und Prof. Ponick halten einHdT-Seminar zu Grundlagen elektrischer Antriebein München.

28.10.-05.11. Jun.-Prof. Friebe besucht im Rahmender Erasmus-Kooperation mit der LUH die ToosiUniversität in Teheran und hält dort eine viertägigeVortragsreihe.

November 2019

01.11. Jochen Dittmann und Robin Strunk beginnenals Assistenten am IAL.

05.11. Prof. Mertens hält einen Vortrag auf der FVA-Info-Tagung in Würzburg.

07.-08.11. Prof. Mertens leitet ein HdT-Seminar zuLeistungselektronik in Kraftfahrzeugen in Hannovermit einem Beitrag u. a. von Prof. Ponick.

11.-12-11. Teilnahme von Prof. Ponick und Prof.Mertens am Strategieworkshop des Niedersächsis-chen Forschungszentrums für Fahrzeugtechnik inWöltingerode.

14.-15.11. Prof. Ponick und Prof. Mertens halten einHdT-Seminar zu Wechselwirkungen zwischen Motorund Frequenzumrichter in Essen.

15.11. Benedikt Kostka beginnt als Assistent amIAL.

18.11. Vortrag von Dr. Timur Werner hält im Rah-men des IAL-Kolloquiums

19.11. Jun.-Prof. Ebrahimi nimmt an der Exo Kon-ferenz in Stuttgart teil.

20.-21.11. Austausch mit ca. 140 Fachkolle-gen aus Forschung und Industrie beim FEMAG-Anwendertreffen im Bürgerzentrum in Bruchsal mitVorträgen von Dr. Steinbrink, Prof. Ponick u.a.

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27.-28.11. Prof. Ponick leitet die Sitzung von IECTC2 WG12 in London und stellt auf der Sitzung vonWG31 einen neuen Normentwurf für Wirkungsgrad-klassen für Hochspannungsmotoren vor.

Dezember 2019

01.-04.12. Jun.-Prof. Friebe hält einen Vortrag aufder COBEP 2019 SPEC in Santos, Brasilien.

01.12. Janine Ebersberger und Johannes Wenzelbeginnen als Assistentin und Assistent am IAL.

04.12. Bakr Bagaber und Matthias Kalla besuchendie FVA Infotagung in Würzburg.

06.12. Prof. Ponick überreicht als Studiendekan denAbsolventen auf dem Tag der Fakultät ihre Ab-schlusszeugnisse. Fotos: Julian Martitz

09.12. Prof. Mertens und Prof. Ponick halten einge-ladene Vorträge auf dem Einführungstag des CTI-Symposiums in Berlin.

13.12. Jun.-Prof. Friebe hält einen Vortrag an derUniversität Chile im Rahmen eines Seminars zuErneuerbaren Energien.

16.12. Besuch von Prof. W. Cronje von der Witwa-tersrand University, Johannesburg, am IAL

17.-18.12. Abschlusssymposium des DFG-Sonderforschungsbereichs 880 zum Hochauftriebkünftiger Verkehrsflugzeuge in Braunschweig mitTeilnahme von Matthias Kalla und Jan Müller

19.12. Doktorprüfung von Florian Boseniuk

20.12. Internationales Jahresabschlusskolloquium

31.12. Letzter Arbeitstag von Jakub Kucka und Ste-fan Lücke

2020Januar 2020

01.01. Christian Nörenberg, Constantin Schepe undDavid Tatusch beginnen als Assistenten am IAL.

07.01. Die Jun.-Prof. Ebrahimi und Friebe stellen imRahmen der Ringvorlesungen ihre Forschungsge-biete vor.

09.-12.01. Teambildungs-/Strategieworkshop inMarianska (Erzgebirge), Erholungsheim derTschechischen Akademie der Wissenschaften Prag

16.01. Doktorprüfung von Marcel Moriße

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23.01. Hiwi-Feuerzangenbowle

27.01. Vortrag von Prof. Mertens an der Univ. of Aal-borg, Prof. Blaabjerg, und Opponent einer Doktor-prüfung

29.-31.01. Prof. Ponick hält einen eingeladenen Vor-trag zur Zukunft der elektrischen Antriebstechnik ander ETH Zürich im Rahmen eines Workshops.

31.01. Letzter Arbeitstag von Jan-Kaspar Müller

Februar 2020

03.02. Jun.-Prof. Friebe nimmt virtuell als ExternerGutachter an der PhD-Defense von Robert T. Ryan,University of Cork, Ireland, teil.

10.02. Herr Ulbrich vom VEM Sachsenwerk hälteinen Vortrag im Rahmen des IAL Kolloquiums.

20.-21.02. Fakultätsklausurtagung in Bad Nenndorf

26.02. Ehrung der in die Dean’s List aufgenomme-nen Studierenden aus Elektrotechnik, Energietech-nik und Mechatronik durch Prof. Ponick

März 2020

02.03. Prof. Mertens besucht auf Einladung vonProf. Djujic das EPFL in Lausanne (die neueWirkungsstätte von Jakub Kucka) als Opponenteiner Promotionsprüfung

11.03. Jun.-Prof. Ebrahimi gibt eine Führung imGeCoLab und Testzentrum im Rahmen eines Tref-fens des VDE ETG FB A1.

13.03. Das Präsidium der LUH verschiebt denSemesterstart auf den 20.04.

16.03. Lockdown - offizieller Notfallbetrieb

26.03. Prof. Ponick leitet die Halbjahressitzung desDKE K311, die erstmals als Web-Meeting statt-findet.

31.03. Letzter Arbeitstag von Morteza Raziee

April 2020

01.04. Maximilian Bieber beginnt als Assistent amIAL.

20.04. Start der Vorlesungszeit im Onlinesemester

23.04. Tobias Brinker und drei Studenten nehmenan der zweiten Runde des IEEE Wettbewerbs In-ternational Future Energy Challenge 2020 in Formeiner Webkonferenz teil.

Mai 2020

07.05. Anton Suchan erhält für seine Masterarbeitden Studienpreis der SEW-EURODRIVE-Stiftung.

14.-15.05. Prof. Ponick leitet das Web-Meeting vonIEC TC2 WG12.

15.05. Pauline Frey beginnt als Assistentin am IAL.

27.05. Allan de Barros beginnt als Assistent am IAL.

Juni 2020

03.06. Doktorprüfung von Jonathan Jürgens

12.06. Prof. Ponick nimmt am Web-Meeting des In-ternational Advisory Board des Instituts für Ther-momechanik der Tschechischen Akademie der Wis-senschaften teil.

19.06. Jun.-Prof. Ebrahimi nimmt beim erstenEAWE Kommitte als Mitglied und Mitgründer imOnline-Treffen teil.

24.-26.06. Teilnahme von Martin Gerlach, AlexanderHoffmann und Stefan Urbanek am Virtual MeetingSPEEDAM in Sorrento, Italien

30.06. Letzter Arbeitstag von Alexander Rehfeldt

Juli 2020

07.07. Jun.-Prof. Friebe und Benjamin Knebuschnehmen online an der PCIM in Nürnberg teil.

13.07. Virtuelle Teilnahme an der IFAC 2020 vonMarc Dokus, Frederik Stallmann und Prof. Mertens

15.07. Jonas Henkenjohan beginnt als Assistent amIAL.

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21.-22.07. Prof. Ponick und Prof. Mertens halten einHdT-Seminar zu Wechselwirkungen zwischen Motorund Frequenzumrichter in Essen (!)

August 2020

01.08. Pramod Apte beginnt als Assistent am IAL.

04.08. Virtueller Vortrag von Prof. Mertens zu Low-Frequency HVAC Transmission beim IEEE PESGeneral Meeting 2020

23.-26.08. Online-Teilnahme an der ICEM 2020 inGötheburg von Martin Gerlach, Elmar Haschen,Christian Nörenberg, Jürgen Redlich, ConstantinSchepe und Constantin Wohlers.

30.08. Tobias Brinker und vier Studenten nehmenam Halbfinale des IEEE Wettbewerbs InternationalFuture Energy Challenge 2020 in Form einer Web-konferenz teil. Erreichen der Top 7 von 26 teil-nehmenden Teams (Certificate of Excellence).

31.08. Letzter Arbeitstag von Stephan-Akash Vip

September 2020

01.-03.09. Leon Fauth nimmt online am DeutschenLuft- und Raumfahrtkongress 2020 teil.

01.09. Lennart Jünemann beginnt als Assistent amIAL.

07.-11.09. Niklas Himker nimmt an der EPE 2020virtuell teil.

07.09. Dr. Jakub Kucka, Dr. Dennis Karwatzki undProf. Mertens geben ein "virtuelles" Tutorial zurRegelung von Modularen Multilevel-Convertern beider EPE’20.

08.-10.09. Diverse Vorträge und Sitzungsleitungenvon Angehörigen des IAL bei der EPE’20 - ECCEEurope Virtual Conference

08.09. Dr. Jakub Kucka erhält in virtueller Preisver-leihung den EPE Young Member Award 2020 fürsein EPE-Paper und seinen Vortrag vom Vorjahr.

28.09.-01.10. Teilnahme von Niklas Himker an dervirtuellen Koferenz PEDG 2020, Dubrovnik, Kroat-ien

30.09. Dr. Georg Möller beendet seine Lehrtätigkeitam IAL.

Oktober 2020

01.10. Dr. Boris Dotz wird externer Lehrbeauftragteram IAL.

12.10. Start der Vorlesungszeit mit hybrider Lehre

16.10. Sebastian Rudolph absolviert erfolgreich dieAusbildung als geprüfter Industriemeister Fachrich-tung Metall

18.-21.10. Online-Teilnahme von Anton Suchan,Constantin Wohlers und Dapu Zhang an der IEEIECON 2020, Singapore

19.10. Doktorprüfung von Henrik Schroeder

22.10. Prof. Ponick leitet die Halbjahressitzung desDKE K311, die wiederum als Web-Meeting statt-findet.

29.-30.10. Prof. Mertens und Prof. Ponick halten einHdT-Seminar zu Grundlagen elektrischer Antriebe,das erstmals als Online-Seminar stattfindet.

November 2020

02.11. Umstellung auf Online-Lehre - digitale Kaf-feepause

03.11. Digitale Kaffeepause

04.11. Prof. Ponick steht Studierenden auf demOnline-Abend der Professuren Rede und Antwort.

07.-11. EPE’20 ECCE Europe

12.11. Prof. Ponick leitet das Web-Meeting von IECTC2 WG12.

15.11. Sören Fröhling beginnt als Assistent am IAL.

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18.11. Das jährliche FEMAG-Anwendertreffenfindet, organisiert durch Dr. Steinbrink, erstmalsonline statt mit Beiträgen von Max Hullmann undStephan Vip und ca. 160 Teilnehmern.

19.-20.11. Prof. Ponick und Prof. Mertens halten einHdT-Seminar zu Wechselwirkungen zwischen Motorund Frequenzumrichter als Online-Seminar.

20.11. Constantin Schepe erhält für seine Masterar-beit den Hanns Voith Stiftungspreis in der KategorieWasserkraft.

24.-27.11. Virtuelle ICEMS 2020, Hamamatsu,Japan, mit Beiträgen von Jun.-Prof. Friebe, TobiasBrinker, Leon Fauth und Daniel Herwig

Dezember 2020

01.12. Marius Schubert und Xi Zhu beginnen alsAssistenten und Spiridon Lomis als IT-Administratoram IAL.

02.12. Online-Teilnahme von Matthias Kalla mit demFraunhofer IEM an der FVA Infotagung

03.12. Doktorprüfung von Alexander Rehfeldt

11.12. Digitales Internationales Jahresab-schlusskolloquium

17.12. Doktorprüfung von Jan-Kaspar Müller

20.12. Marc Dokus erhält für sein Paper "SequenceImpedance Characteristics of Grid-Feeding Con-verters" auf der IPEMC2020 ECCE Asia einen BestPaper Award

31.12. Letzter Arbeitstag von Jürgen Redlich undConstantin Wohlers

Ausblick Wir hoffen und freuen uns auf gemein-same Zusammenkünfte und Events!

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Veröffentlichungen 2019/20 | Publications 2019/20

Aufsätze in Fachzeitschriften 2019 | Journal Articles 2019

De Gennaro, M.; Jürgens, J.; Zanon, A.; Gragger, J.; Schlemmer, E.; Fricassè, A.; Marengo, L.; Ponick,B.; Trancho, E.; Kinder, J.; Cavallini, A.; Mancinelli, P.; Hernandez, M.; Messagie, M.Designing, Prototyping and Testing of a Ferrite Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Machinefor Hybrid and Electric Vehicles ApplicationsSustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 31 (2019), pp. 86 - 101

Denkena, B.; Bergmann, B.; Teige, C.; Böhse, F.; Königsberg, J.; Klemme, H.Störfaktoren ausgeschlossenNC-Fertigung, Ausgabe 07-08 (2019), pp. S. 18-21

Denkena, B.; Bergmann, B.; Teige, C.; Ponick, B.; Königsberg, J.Hybride Spindel für vielfältigen Einsatz - Vorspannungsregelung von Spindeln mit Hilfe von Formgedächt-nislegierungenmav, 01.12.2019, pp. S. 70-73

England, M.; Ponick, B.Automatisierter Entwurf von Haarnadelwicklungen anhand von tabellarischen Belegungsplänene & i - Elektrotechnik & Informationstechnik, vol. 136 no. 2 - April 2019, pp. 159 - 167

Kucka, J.; Mertens, A.Common-Mode Voltage Injection Techniques for Quasi-Two-Level PWM-Operated Modular Multilevel Convert-ersIEEE Journal of Industry Applications, vol. 8, no. 2, pp. 287-294

Raziee, S. M.; Misir, O.; Ponick, B.Multiple Multiphase Combined Star-Polygon Winding AnalysisIEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 66, no. 10, pp. 7468-7479

Sarstedt, M.; Dokus, M.; Gerster, J.; Himker, N.; Hofmann, L.; Lehnhoff, S.; Mertens, A.Standardized Evaluation of Multi-Level Grid Control Strategies for Future Converter-Dominated Electric EnergySystemsat-Automatisierungstechnik, vol. 67, no. 11, pp. 936-957

Konferenzbeiträge 2019 | Conference Articles 2019

Ebrahimi, A.Challenges of developing a digital twin model of renewable energy generatorsIEEE ISIE 2019, Vancouver, Canada, 12-14.06.2019

Ebrahimi, A.; Meiswinkel, M.Modeling of Radial and Tangential Roebel Bar Force Distributions in Large Electrical Machines ConsideringLongitudinal TranspositionEEMODS 2019, Tokyo Japan, 17.-19.09.2019

Brinker, T.; Fauth, L.; Lin, S.; Friebe, J.Impact of Passive Common Mode Cancellation on the Efficiency and Switching Performance of Power Convert-ersEPE’19 ECCE Europe, 02.-05.09.19

Buchali, T.; Stallmann, F.; Mertens, A.New Control Concept for a Safety-critical Actuator in Highly Automated or Autonomous CarsEPE’19 ECCE Europe, 02.-05.09.19

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Dierks, R.; Kucka, J.; Mertens, A.Optimization of the Low-Frequency Mode for Modular Multilevel Converters Based On Frequency Domain Ana-lysisEPE’19 ECCE Europe, 02.-05.09.19

Dokus, M.; Mertens, A.Sequence Impedance-Based Stability Analysis of Droop-Controlled AC MicrogridsPEDG 2019, Xian 03.-06.06.2019

Fauth, L.; Brinker, T.; Lin, S.; Friebe, J.Asymmetric Half-Bridge Configurations in Power Electronics ConvertersEPE’19 ECCE Europe, 02.-05.09.19

Fricke, T.; Schwarz, B.; Ponick, B.Schwarz-Christoffel-Based Open-Circuit Clamping Plate Field Calculation in Hydro GeneratorsIEEE IEMDC 2019, San Diego 12.-15.05.2019

Friebe, J.; Lin, S.; Fauth, L.; Brinker, T.Premagnetized Inductors in Single Phase dc-ac and ac-dc- ConvertersCOBEP SPEC 2019, Santos, Brazil, 01.-05.12.2019

Himker, N.; Lindemann, G.; Mertens, A.Iterative Tracker for Anisotropy-Based Self-Sensing Control of PMSMIEEE SLED 2019, Turin, Italien, 09.-10.09.2019)

Hoffmann, A.; Gerlach, M.; Lindemann, G.; Reitmeier, D.; Wiesemann, J.; Mertens, A.; Ponick, B.;Hyper High-Speed for the Electrified Automotive Powertrain for Maximum RangeE-MOTIVE Expert Forum 04.-05.09.2019, Schweinfurt

Hoffmann, A.; Kanus, M.; Overmeyer, L.; Ponick, B.Design of an Integrated Linear Flux Modulating Motor for a Direct-drive Belt ConveyorIKMT2019, 10.-11.09.2019, Würzburg

Hoffmann, A.; Kanus, M.; Overmeyer, L.; Ponick, B.Operation Analysis of an Integrated Linear Flux Modulating Motor for a Direct-driven Belt ConveyorEEMODS 2019, Tokyo Japan, 17.-19.09.2019

Hullmann, M; Urbanek, S.; Ponick, B.Surface Eddy Current Suppression on Additively Manufactured Solid Rotor Active PartsEEMODS 2019, Tokyo Japan, 17.-19.09.2019

Kalla, M.; Korolova, O.; Neufeld, A.; Hofmann, L.; Ponick, B.Calculating Frequency Reponses of Synchronous Machines Using MIMO Transfer FunctionsACEMP-OPTIM 2019 27.8-29.8.19, Istanbul

Kanus, M.; Hoffmann, A.; Overmeyer, L.; Ponick, B.Linear Direct Drive for Light Conveyor Belts to Reduce Tensile ForcesAST 2019, St. Petersburg, Russia, 10.-12.06.2019

Kanus, M.; Hoffmann, A.; Overmeyer, L.; Ponick, B.Lineardirektantrieb für biegeschlaffe Transportbänder zur Reduzierung der Gurtzugkraft15. Fachkolloquium der WGTL in Rostock 11.+12.09.2019

Kucka, J.; Lin, S.; Friebe, J.; Mertens, A.Quasi-Two-Level PWM-Operated Modular Multilevel Converter With Non-Linear Branch InductorsEPE’19 ECCE Europe, 02.-05.09.19

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Lin, S.; Brinker, T.; Fauth, L.; Friebe, J.Review of Dimensional Resonance Effect for High Frequency Magnetic ComponentsEPE’19 ECCE Europe, 02.-05.09.19

Lin, S.; Friebe, J.; Langfermann, S.; Owzareck, M.Premagnetization of High-Power Low-Frequency DC-Inductors in Power Electronic ApplicationsPCIM 2019, Nürnberg 07.-09.05.2019

Lindemann G.; Himker, N.; Mertens, A.Enhanced Observer with Adaptive Reference Frame for Self-Sensing Control of PMSMIEEE SLED 2019, Turin, Italien, 09.-10.09.2019)

Mirzadeh, M.; Narjes, G.; Ponick, B.Evaluation of High-Tech Electrical Steel in a High-Speed Permanent Magnet Synchronous Machine for an Air-craft ApplicationEEMODS 2019, Tokyo Japan, 17.-19.09.2019

Mueller, J.-K.; Manthey,T.; Han D.; Sarlioglu, B.; Friebe,J.; Mertens, A.Output Sine-Wave Filter Design and Characterization for a 10 kW SiC InverterECCE USA, 29.09.-03.10.19

Rehfeldt, A.; Fricke, T.; Emmrich, D.; Ponick, B.Semi-Analytical Calculation of Field Distribution in Yoke/Tooth Transition in Electrical MachinesIEEE IEMDC 2019, San Diego 12.-15.05.2019

Rehfeldt, A.; Fricke, T.; Schwarz, B.; Ebrahimi, A.; Ponick, B.Semi-Analytical Calculation of Field and Loss Distribution in the Tooth Tips of Electrical MachinesEEMODS 2019, Tokyo Japan, 17.-19.09.2019

Trinh, N.; Atallah, A.; Sharma, K.; Kuhn, G.; Juretzek, U.; Rosendahl, J.; Bagaber, B.; Mertens, A.DFIG-Based Power Plant: System Description and PerformancePESGM 2019, Atalanta, 04.08.-08.08.2019

Urbanek, S.; Heide, D.; Bagaber, B.; Lohss, M.; Specht, B.; Paulig, X.; Mertens, A.; Ponick, B.Analysis of External Rotor Electric Drives for an All-Automatic Airborne Wind Energy SystemIEEE IEMDC 2019, San Diego 12.-15.05.2019

Wiesemann, J.; Sommer, C.; Mertens, A.Switching Characteristics of a 1.2 kV SiC MOSFET Module using a Controllable Current-Sourced Gate DriverPCIM 2019, Nürnberg 07.-09.05.2019, pp. 1466-1471

Zulk, S.; Mertens, A.Optimization of Air-Cooled On-Board Battery Chargers for Electric Vehicles Using WBG DevicesPCIM 2019, Nürnberg, 07.-09.05.2019, pp. 253-260

Buchbeiträge 2019 | Books 2019

Hackbart, M.Berechnung des Einflusses von Dämpferwicklung und massivem Läuferballen auf den Stoßkurzschluss vonTurbogeneratorenDissertation, ISLE Verlag Ilmenau, ISBN: 978-3-938843-99-4

John, M.Frequency-Domain Modeling of Harmonic Interactions in Pulse-Width Modulated Voltage-Source Inverter DrivesDissertation, Repositorium der LUH, OnlineRess: https://doi.org/10.15488/4705

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Jonsky, T.Modellierung und Regelung von fünfphasigen Synchronmaschinen unter Berücksichtigung von Sättigungsef-fekten und MehrfachanisotropienDissertation, Repositorium der LUH, OnlineRess: https://doi.org/10.15488/4778

Krone, T.Beiträge zu fehlertoleranten Fahrzeugantrieben mit Radnabenmotoren ohne ReibungsbremseDissertation, Repositorium der LUH, OnlineRess: https://doi.org/10.15488/4782

Kucka, J.Quasi-Two-Level PWM Operation of Modular Multilevel Converters: Implementation, Analysis and Applicationto Medium-Voltage DrivesDissertation, Repositorium der LUH, OnlineRess: https://www.repo.uni-hannover.de/handle/123456789/4870

Sonstige Publikationen 2019 | Other Publications 2019

Friebe, J.Freiheitsgrade und Forschungsaspekte in der Elektrifizierung von FlugzeugenEFZN-Forschungstag, 19.02.2019, Braunschweig

Friebe, J.; Fauth, L.; Knebusch, B.Spannungsbelastung magnetischer Bauelemente durch WBG-LeistungshalbleiterZVEI Jahrestagung 2019 der Fachverbände Transformatoren & Stromversorgungen sowie Electrical Winding &Insulation Systems, 26.03.-27.03.2019, Nürnberg-Boxdorf

Friebe, J.; Mertens, A.Power Electronics in Decentralized Systems and MicrogridsSegundo seminaro - Sistemas Energeticos de Pequena Escala, Universidad de Chile, Santiago, Chile, 13.12.2019

Aufsätze in Fachzeitschriften 2020 | Journal Articles 2020

Denkena, B.; Bergmann, B.; Böhse, M.-F.; Königsberg, J.; Ponick, B.Leistungspotenzial ausgeschöpft - Neues aktives Dämpfungskonzept für Motorspindelnmav, 01.10.2020, pp. S. 58-61

John, M.; Mertens, A.Frequency-Domain Modeling of Harmonic Interactions in Voltage-Source Inverters with Closed-Loop ControlEnergies 2020, 13(21), 5823

Kucka, J.; Lin, S.; Friebe, J.; Mertens, A.Quasi-Two-Level PWM-Operated Modular Multilevel Converter With Nonlinear Branch InductorsIEEE Transactions on Power Electronics

Kucka, J.; Mertens, A.Improved Current Control for a Quasi-Two-Level PWM-Operated Modular Multilevel ConverterIEEE Transactions on Power Electronics, vol 35 no 7, pp. 6842-6853

Kucka, J.; Mertens, A.Designing a Passively Damped Quasi-Two-Level-Operated Modular Multilevel Converter for Drive ApplicationsIEEE Access, vol 8, pp. 80218-80232

Meiswinkel, M.; Ebrahimi, A.; Wohlers, C.; Neschitsch, T.Transient Roebel Bar Force Calculation in Large Salient-Pole Synchronous MachinesIEEE Access Journal, vol. 8, 2020, Digital Object Identifier 10.1109/ACCESS.2020.3046789

Pfeiffer, J.; Küster, P.; Schulz, I. E. M.; Friebe, J.; Zacharias, P.Review of Flux Interaction of Differently Aligned Magnetic Fields in Inductors and Transformers,IEEE Access

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Schefer, H.; Fauth, L.; Kopp, T.; Mallwitz, R.; Friebe, J.; Kurrat, M.Discussion on Electric Power Supply Systems for All Electric AircraftIEEE Access, vol 8, pp. 84188 - 84216

Schweigert, D.; Gerlach, M. E.; Hoffmann, A.; Morhard, B.; Tripps, A.; Lohner, T.; Otto, M.; Ponick, B.;Stahl, K.On the Impact of Maximum Speed on the Power Density of Electromechanical PowertrainsMDPI Vehicles, 2(2), pp. 365-397

Stockbrügger, J.O.; Ponick, B.Analytische Ermittlung des Stirnraumanteils der Wicklung-Stator-Kapazität in elektrischen Maschinen zur Vor-ausberechnung des hochfrequenten Common-Mode-Stromse & i Elektrotechnik und Informationstechnik, Band 137 Ausgabe 4, pp. 203-211

Stockbrügger, J.O.; Ponick, B.Analytische Ermittlung des Nutschlitzanteils der Stator-Rotor-Kapazität zur Vorausberechnung und Reduzierungvon Lagerspannungen in elektrischen Maschinene & i Elektrotechnik und Informationstechnik, Band 137 Ausgabe 4, pp. 212-217

Stockbrügger, J.O.; Ponick, B.Analytische Ermittlung der Wicklung-Stator-Kapazität in elektrischen Maschinen zur Vorausberechnung deshochfrequenten Common-Mode-Stromse & i Elektrotechnik und Informationstechnik, Band 137 Ausgabe 4, pp. 196-202

Stockbrügger, J.O.; Ponick, B.Analytische Ermittlung des Nutschlitzanteils der Wicklung-Rotor-Kapazität zur Vorausberechnung von Lagerspan-nungen in elektrischen Maschinene & i Elektrotechnik und Informationstechnik, Band 137 Ausgabe 4, pp. 188-195

Stockbrügger, J.O.; Ponick, B.Analytical Determination of the End-Winding Portion of the Winding-to-Rotor Capacitance for the Prediction ofBearing Voltage in Electrical MachinesElectrical Engineering (Archiv für Elektrotechnik)

Stockbrügger, J.O.; Ponick, B.Analytical Determination of the Turn-to-Turn Capacitances for the Prediction of Voltage Peaks in a PWM-FedMotor WindingElectrical Engineering (Archiv für Elektrotechnik)

Stockbrügger, J.O.; Ponick, B.Analytical Determination of the Slot and the End-Winding Portion of the Winding-to-Rotor Capacitance for thePrediction of Shaft Voltage in Electrical MachinesEnergies 2021 (MDPI), Band 14 Ausgabe 174

Konferenzbeiträge 2020 | Conference Articles 2020

Ali, M.; Friebe, J.; Mertens A.Simplified Calculation of Parasitic Elements and Mutual Couplings of Wide-bandgap Power SemiconductorModulesEPE’20 ECCE Europe (virtuell) 07.-11.09.2020

Ali, M.; Müller, J.-K.; Friebe, J.; Mertens A.Analysis of Switching Performance and EMI Emission of SiC Inverters under the Influence of Parasitic Elementsand Mutual Couplings of the Power ModulesEPE’20 ECCE Europe (virtuell) 07.-11.09.2020

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Andresen, J.; Vip, S.; Mertens, A.; Paulus, S.Compensation of the Radial and Circumferential Mode 0 Vibration of a Permanent Magnet Electric Machinebased on an Experimental CharacterisationEPE’20 ECCE Europe (virtuell) 07.–11.09.2020

Andresen, J.; Vip, S.; Mertens, A.; Paulus, S.Theory of Influencing the Breathing Mode and Torque Pulsations of Permanent Magnet Electric Machines withHarmonic CurrentsEPE’20 ECCE Europe (virtuell) 07.–11.09.2020

Berweiler, B.; Ponick, B.Current and Average Temperature Calculation for Electrically Excited Synchronous Machines in Case of Con-tactless Energy SupplyICEM 2020 (virtuell) 23.-26.08.2020, Göteborg

Brinker, T.; Willer, F.; Heeren, H.; Fauth, L.; Friebe, J.Design of a Hybrid Two-Stage GaN-Si Inverter for BLDC MotorsICEMS 2020 (virtuell) 24.-27.11.2020

Dierks, R.; Kucka, J.; Mertens, A.Using Both the Circulating Currents and the Common-Mode Voltage for the Branch Energy Control of ModularMultilevel ConvertersEPE’20 ECCE Europe (virtuell) 07.–11.09.2020

Dokus, M.; Mertens, A.Sequence Impedance Characteristics of Grid-Feeding ConvertersECCE Asia 2020 (virtuell) 29.11. - 02.12.2020

Dokus, M.; Mertens, A.Sequence Impedance Characteristics of Grid-Forming Converter ControlsPEDG 2020 (virtuell) 28.09.2020

Dokus, M.; Sarstedt, M.; Mertens, A.On the Stability of Converter-Dominated Power Systems: Impedance-Based AnalysisSGES 2020 (virtuell) 23.11 - 26.11.2020

Dokus, M.; Stallmann, F.; Mertens, A.Sequence Impedance-Based Stability Analysis of AC Microgrids Controlled by Virtual Synchronous GeneratorControl MethodsIFAC 2020 (virtuell) 13.07.2020

Ebersberger, J.; Müller, J.-K.; Mertens, A.Dynamic Characterization of a SiC-MOSFET Half Bridge in Hard- and Soft-Switching and Investigation of Cur-rent Sensing TechnologiesEPE’20 ECCE Europe (virtuell) 07.-11.09.2020

Fauth, L.; Jusko, S.; Friebe, J.; Mertens, A.GaN HEMT Based Inverter for Driving Ultrasonic TransducersICEMS 2020 (virtuell) 24.-27.11.2020

Fricke, T.; Schwarz, B.; Ponick, B.Single Equation Clamping Plate Loss Model for Large Synchronous MachinesICEM 2020 (virtuell) 23.-26.08.2020, Göteborg

Fricke, T.; Schwarz, B.; Ponick, B.A Magnetic Equivalent Circuit to Account for Gaps Between Clamping Plate Segments in Large SynchronousMachinesICEM 2020 (virtuell) 23.-26.08.2020, Göteborg

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Friebe, J.; Fauth, L.Efficiency Optimization for Partial Load Operation of Interleaved ConvertersICEMS 2020 (virtuell) 24.-27.11.2020

Gerlach, M.E.; Ponick, B.Influence of the Stator Winding and Forming of the End Winding on the Vibration Behavior of Electric Machine’sStator CoreICEM 2020 (virtuell) 23.-26.08.2020, Göteborg, pp. 1171-1177

Gerlach, M.E.; Zajonc, M.; Ponick, B.Methodology to Evaluate the Mechanical Stress in High Speed Electric Machines with Buried MagnetsSPEEDAM 2020 (virtuell) 24.06.2020, Sorrento, pp. 84-91

Haschen, E.; Ponick, B.Calculation of Slot Leakage Flux Using Equivalent Magnetic CircuitsICEM 2020 (virtuell) 23.-26.08.2020, Göteborg

Helmholdt-Zhu, T.; Knebusch, B.; Borcherding, H.High-Frequency Models for the Prediction of Transient Effects in Motor Windings Under Fast Rising ImpulseVoltagesPCIM 2020 (virtuell) 07.07.2020, Nürnberg

Herwig, D.; Brockhage, T.; Mertens, A.Combining Multiple Temperature-Sensitive Electrical Parameters Using Artificial Neural NetworksEPE’20 ECCE Europe (virtuell) 07.–11.09.2020

Herwig, D.; Brockhage, T.; Mertens, A.Impact of Parasitics in Power Modules and Gate Drivers on TSEP-based Temperature EstimationsICEMS 2020 (virtuell) 24.-27.11.2020

Himker, N.; Strunk, R.; Mertens, A.Grid Impedance Estimation with Oversampling for Grid-Connected ConvertersEPE’20 ECCE Europe (virtuell) 07.–11.09.2020

Himker, N.; Wächter, M.; Peinke, J.; Mertens, A.Dynamic Behaviour and Modelling of Variable-Speed Wind TurbinesPEDG 2020 (virtuell) 28.09.2020

Hoffmann, A.; Ponick, B.Statistical Deviation of High-Frequency Lumped Model Parameters for Stator Windings in Three-Phase Electri-cal MachinesSPEEDAM 2020 (virtuell) 24.06.2020, Sorrento, pp. 92-97

Kanus, M.; Hoffmann, A.; Overmeyer, L.; Ponick, B.Linear Direct Drive for Light Conveyor Belts to Reduce Tensile ForcesInternational Conference on Cyber-Physical Systems and Control (CPS&C’2019), pp. 398-406

Lorenz, M.; Kucka, J.; Mertens, A.Active Current and Energy Control for the Quasi-Three-Level Operation Mode of an Extended Modular Multi-level Converter TopologyEPE’20 ECCE Europe (virtuell) 07.-11.09.2020

Nörenberg, C.; Redlich, J.; Ponick, B.Novel Method for Considering AC Copper Losses in Traction MotorsICEM 2020 (virtuell) 23.-26.08.2020, Göteborg

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Roche, J.P.; Friebe, J.; Niggemann, O.Machine Learning for Grey Box Modelling of Electrical Components for Circuit- and EMC-SimulationPCIM 2020 (virtuell) 07.07.2020, Nürnberg

Sarstedt, M.; Kluß, L.; Dokus, M.; Gerster, J.; Hofmann, L.Simulation of Hierarchical Multi-Level Grid Control StrategiesSGES 2020 (virtuell) 23. - 26.11.2020

Schepe, C.; Haschen, E.; Ponick, B.Calculation of Circulating Currents in Parallel Branches of Salient Pole Synchronous MachinesICEM 2020 (virtuell) 23.-26.08.2020, Göteborg

Stallmann, F.; Mertens, A.Sequence Impedance Modeling of the Matching Control and Comparison with Virtual Synchronous GeneratorPEDG 2020 (virtuell) 28.09.2020

Suchan, A.; Ponick, B.Brush Dynamics in Electrically Excited Synchronous Machines and their Influence on the Field WindingIECON 2020 (virtuell) 18.-21.10.2020, Singapur

Urbanek, S.; Keuter, R.; Peter, E.; Ponick, B.Effects of Continuous Rotor Skewing in Additively Manufactured Permanent Magnet RotorsSPEEDAM 2020 (virtuell) 24.06.2020, Sorrento

Vip, S.-A.; Andresen, J.; Dräger, F.; Ponick, B.NVH-Simulation of Permanent Magnet Synchronous Traction Drives Including Torsional Mode ShapesICEM 2020 (virtuell) 23.-26.08.2020, Göteborg

Wankhede, Y.; Fauth, L.; Friebe, J.Design and Control of a Virtual DC-Link for a full GaN-based Single Phase Converter with High Power DensityEPE’20 ECCE Europe(virtuell) 07.-11.09.2020

Wohlers, C.; Ponick, B.First Estimations of Stator Dimensions for Permanent Magnet Synchronous Machines with Tooth-Coil Windingsand Direct Liquid CoolingICEM 2020 (virtuell) 23.-26.08.2020, Göteborg

Wohlers, C.; Ponick, B.A Novel Method for the Fast Calculation of the Characteristics of PM Synchronous MachinesIECON 2020 (virtuell) 18.-21.10.2020, Singapur, pp. 832-837

Zhang, D.; Ebrahimi, A.; Wohlers, C.; Redlich, J.; Ponick, B.On the Analytical Calculation of Eddy-Current Losses in Permanent Magnets of Electrical MachinesIECON 2020 (virtuell) 18.-21.10.2020, Singapur

Buchbeiträge 2020 | Books 2020

Boseniuk, F.Parametrisierung von thermischen Modellen für permanentmagneterregte Synchronmaschinen mittels experi-menteller IdentifikationsmethodenDissertation, TEWISS Verlag ISBN 978-3-95900-425-1

Ebrahimi, A.Advances in Modelling and control of Wind and HydrogeneratorsISBN: 978-1-83880-533-3

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Heseding, J.Baukastensysteme für den Antriebsstrang von ElektrofahrzeugenDissertation, TEWISS Verlag ISBN 978-3-95900-436-7

Jürgens, J.Elektrisch erregte Synchronmaschinen für unterschiedliche Antriebskonzepte in ElektrofahrzeugenDissertation, TEWISS Verlag ISBN 978-395900-466-4

Morisse, M.Über System- und Regelungsdynamiken von Windenergieanlagen und deren Einfluss auf die Umrichterlebens-dauerDissertation, Repositorium der LUH, Online-Ress.: https://www.repo.uni-hannover.de/handle/123456789/9431

Oelkers, F.Fehlererkennung in Antriebssystemen mit permanentmagneterregten SynchronmaschinenDissertation, TEWISS Verlag ISBN 978-3-95900-417-9

Rehfeldt, A.Verbesserte Berechnung von Magnetfeldern und Ummagnetisierungsverlusten in elektrischen MaschinenDissertation, TEWISS Verlag ISBN 978-3-95900-519-7

Schroeder, H.Wicklungskopflose Turbogeneratoren mit MehrphasentransformatorenDissertation, TEWISS Verlag ISBN 978-3-95900-510-4

Sonstige Publikationen 2020 | Other Publications 2020

Fauth, L.; Schefer, H.; Kopp, T.; Mallwitz, R.; Friebe, J.; Kurrat, M.Power Supply Systems for All Electric AircraftDeutscher Luft- und Raumfahrtkongress 01.-03.09.2020

Knebusch, B.Elektrische Lagerbelastung - Lagerströme durch Betrieb am FrequenzumrichterBENNING Fachtagung 12.03.2020, Bocholt

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Auszeichnungen 2019/20 | Awards 2019/20

201910.05.Niklas Himker wird für seine Masterarbeit mit dem Studienpreis der SEW-EURODRIVE-Stiftung ausgezeichnet.

28.06.Max Hullmann erhält für seine Masterarbeit im Bereich Wasserkraft den Hanns-Voith-Stiftungspreis.

202007.05.Anton Suchan erhält für seine Masterarbeit den Studienpreis der SEW-EURODRIVE-Stiftung.

08.09.Dr. Jakub Kucka erhält den 2020 EPE Outstanding Young Member Award für sein Paper und seinen Vortragauf der EPE’20 ECCE Europe Virtual Conference.

20.11.Constantin Schepe erhält für seine Masterarbeit den Hanns Voith Stiftungspreis.

20.12.Marc Dokus erhält für sein Paper Sequence Impedance Characteristics of Grid-Feeding Converters auf derIPEMC2020–ECCE Asia einen Best Paper Award.

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Antriebssysteme undInstitut für

Leistungselektronik

standortfinder.uni-hannover.de

Kontakt | Contact

Institut für Antriebssysteme und LeistungselektronikInstitute for Drive Systems and Power ElectronicsGottfried Wilhelm Leibniz Universität HannoverWelfengarten 1D - 30167 Hannover | Germany

Tel. +49 511 762 - 2514Fax +49 511 762 - [email protected]

Postanschrift:Gottfried Wilhelm Leibniz Universität HannoverPostfach 600930060 Hannover

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ial.uni-hannover.de

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