Gleichstrommaschinen-Äquivalentes CSI-Antriebssystem

Elektromotoren sind ein verborgenes Rückgrat unseres modernen Lebens. Sie sind nahezu überall zu finden: in Haushaltsgeräten, Aufzügen, Elektrofahrzeugen, Industrierobotern, Satelliten, medizinischen Geräten und sogar in humanoiden Robotern. Kurz gesagt: Sie halten unsere Gesellschaft in Bewegung. Elektromotoren arbeiten jedoch nie allein. Sie wandeln elektrische Energie in mechanische Bewegung um, benötigen dafür aber präzise eingestellte elektrische Ströme. Diese Aufgabe übernehmen Leistungsumrichter, sogenannte Wechselrichter, die Gleichspannung und Gleichstrom in die für moderne Elektromotoren erforderlichen Wechselgrößen umwandeln. Während die grundlegenden Funktionsprinzipien von Elektromotoren seit ihrer Erfindung weitgehend unverändert geblieben sind und weiterhin hauptsächlich auf Kupfer und Eisen basieren, hat sich die Technologie der Leistungsumrichter in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt. Ursache dafür sind kontinuierliche Innovationen in der Leistungshalbleitertechnik. Ein aktueller Durchbruch ist die Entwicklung monolithischer bidirektionaler Gallium-Nitrid-(GaN-)Schalter, die den effizienten Einsatz von Stromquellenwechselrichtern (Current Source Inverters, CSI) ermöglichen, ohne die hohen Verluste früherer Lösungen. CSIs bieten wichtige Vorteile: Sie ermöglichen einen effizienten Motorbetrieb, benötigen keine Stromsensoren und erzeugen besonders glatte Spannungsverläufe an den Motorwicklungen. Dennoch werden sie in der Praxis bislang selten eingesetzt und sind oft kein fester Bestandteil universitärer Lehrveranstaltungen, was ihre Verbreitung hemmt. Hier setzt das Projekt uniDCm (universal DC machine) an. Ziel ist es, einen Stromquellenwechselrichter funktional und physikalisch direkt in den Elektromotor zu integrieren. Der Wechselrichter moduliert dabei unmittelbar die Motorphasenströme, sodass das gesamte Antriebssystem von der Gleichstromseite aus betrachtet und gespeist werden kann. Für die Anwenderin bzw. den Anwender verhält sich das System wie eine klassische Gleichstrommaschine. Dieser Ansatz entkoppelt Motortyp und Regelungskomplexität vollständig von der Nutzung. Unabhängig davon, ob es sich um eine permanentmagneterregte Synchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine handelt, erscheint das Antriebssystem nach außen als universelle Gleichstrommaschine mit einfachen Plus- und Minus-Anschlüssen. Dies ermöglicht einen echten Plug-and-Play-Betrieb. Gleichzeitig werden Motorverluste reduziert und der Einsatz kostengünstigerer Materialien ermöglicht. Besonders gefördert werden Reluktanzmotoren, die ohne Permanentmagnete auskommen und daher nachhaltiger sind. Insgesamt ebnet das uniDCm-Projekt den Weg für effizientere, nachhaltigere und benutzerfreundlichere elektrische Antriebssysteme.