Abschlussarbeiten

Die Bachelor- und Master-Arbeit bildet den Abschluss Ihres jeweiligen Studiums. Hier können Sie zeigen, wie Sie Ihre erworbenen Kenntnisse und Fähigkeiten bei der Lösung von technischen Aufgaben zielführend einsetzen. Dabei unterstützen wir Sie, angefangen mit einer auf Ihre Interessen und Neigungen angepassten Themenstellung bis hin zur persönlichen Betreuung und umfangreichen technischen Ausstattung am LAT.

Die heutige Antriebstechnik ist außerordentlich facettenreich. Alle Fachdisziplinen der Mechatronik und des daran angelehnten Systems Engineering spiegeln sich in den Themen unserer Abschlussarbeiten mit unterschiedlicher Schwerpunktsetzung wider. Letztlich hängt es von Ihren Interessen und Neigungen und vom ausgewählten Thema ab, in welcher Kombination elektromechanische Konstruktion, Modellierung und Simulation, analoge, digitale und leistungselektronische Schaltkreise, Messtechnik oder die Programmierung Ihre Arbeit inhaltlich prägen.

Lassen Sie sich von den folgenden Themenfeldern inspirieren. Sollte Sie eines oder mehrere dieser Themenfelder interessieren, sprechen Sie uns einfach an. Wir erklären Ihnen dann gerne, was im jeweiligen Themenfeld aktuell an Arbeiten ansteht und versuchen ein konkretes Thema für Sie zu finden. Letztlich müssen Sie als Kandidat mit Ihren Vorstellungen inklusive der Betreuung passen, um zum angestrebten optimalen Ergebnis für alle Beteiligten zu kommen.

Themenfelder für Abschlussarbeiten

Feld-Plot aus der FEM-Simulation eines Elektromotors

Vernier-Motor

Torque-Motoren werden typischerweise hochpolig ausgeführt, weisen hohe Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen auf und werden daher bevorzugt als Direktantriebe eingesetzt. Durch den Verzicht auf ein mechanisches Übersetzungsgetriebe werden gute Positioniereigenschaften und ein hoher Wirkungsgrad erwartet. Eine besondere Gattung solcher Direktantriebe sind Vernier-Motoren, bei den durch eine besonders hochpolige Ausführung oder durch Modulation des Permanentmagnetflusses höhere Harmonische der Statorwicklung zur Drehmomentbildung genutzt werden. Eine elektrische Umdrehung des Statorfeldes erzeugt damit eine vergleichsweise kleine Drehung am Rotor.

Ziel dieser Arbeit ist die nähere Untersuchung von Vernier-Motortopologien sowohl auf analytischer Basis als auch mittels FEM-Simulation und die anwendungsspezifische Abgrenzung zu klassischen PMSM-Topologien. Die Arbeit gliedert sich dabei in die Bereiche:

Literaturrecherche zum Vernier-Motor
Ableitung grundlegender analytischer Gesetzmäßigkeiten
Erstellen von FEM-Modellen und Berechnung relevanter Motorkenngrößen
Bewertung der Ergebnisse und Vergleich mit alternativen Topologien

Ansprechpartner: Stephan Kleen, M.Sc.

Stromrippel-basierte sensorlose Regelung von elektromagnetischen Maschinen

Einphasige elektromagnetische Antriebe wie Hubmagnete und Ventile verfügen über ein einfaches, aber robustes Wirkprinzip mit großen Hüben und Kräften, weswegen sie sehr verbreitet in industriellen Anwendungen sind. Um den Stellweg eines solchen Aktors auch unter Last genauestens regeln zu können, muss die Position des Stößels in der Spule bekannt sein, die i.d.R. über Positionssensoren bereitgestellt wird. Ein solcher Sensor erhöht die Abmaße und Kosten des Aktorsystems aber erheblich und ist deswegen unerwünscht. Um dieses Problem zu lösen, existieren Verfahren zur Schätzung der Ventilposition anhand von Strom- und Spannungsmessungen, die einen Positionssensor überflüssig machen.

Üblicherweise werden elektromagnetische Aktoren über eine schaltende Leitungselektronik mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert. Als Nebeneffekt entstehen dadurch Stromrippel, deren Amplitude maßgeblich von der Aktorinduktivität abhängen. Durch ein am Lehrstuhl für Antriebstechnik entwickeltes Verfahren kann die Induktivität aus den Stromrippeln ermittelt werden. Mithilfe eines mathematischen Modells kann dann die Aktorstellung aus der Induktivität errechnet werden, was eine sensorlose Positionsbestimmung und –regelung ermöglicht.

Mögliche Themen in diesem Zusammenhang sind beispielsweise:

Kombination des Verfahrens mit Zustandsbeobachtern unter Einbeziehung des Aktormodells
Kombination des Verfahren mit Kraftschätzern
Optimierung des verwendeten mathematischen Modells unter Einbeziehung von Materialeffekten wie Hysterese und Wirbelströmen
Applikation des Verfahren auf alternative Anwendungen (wie z. B. dreiphasige elektromagnetische Motoren, elektrische Umrichter oder induktive Sensoren)

Mögliche Tätigkeiten:

Recherche
Modellierung und Simulation
Entwurf von Reglern und Beobachtern
Elektronik- und Softwareentwicklung
Implementierung auf Mikrocontrollern
Konzipierung und Durchführung von Experimenten

Ansprechpartner: Niklas König, M.Sc., Dr.-Ing. Emanuele Grasso

3D-Darstellung einer PMSM mit Koordinatensystem

Anisotropiebasierte sensorlose Regelung von PMSMs

Mit permanenterregten Synchronmaschinen (PMSM) lassen sich besonders kompakte, dynamische und hocheffiziente Antriebs-systeme realisieren. Typischerweise wird dabei eine feldorientierte Regelung verwendet, mit der der Stromzeiger im einfachsten Falle senkrecht zum Feld der rotierenden Permanentmagnete gehalten wird. Dazu sind Positionssensoren für die Rotorlage nötig, jedoch existieren auch Verfahren, die diese Rotorlage aus elektrischen Größen der Maschine, wie Spannungen und Strömen in den Wicklungen, schätzen.

Anisotropiebasierte Verfahren nutzen dazu Induktivitätsvariationen in den typischerweise dreiphasigen Wicklungen und können somit die Rotorlage auch bei niedrigen Drehzahlen sowie im Stillstand der Maschine vergleichsweise genau bestimmen, sodass die Maschine bereits beim Start das volle Drehmoment liefern kann.

Mögliche Themen in diesem Zusammenhang sind beispielsweise:
•   Der Vergleich von Verfahren
•   Analyse bestimmter Eigenschaften eines ausgewählten Verfahrens (z.B. der Einfluss unterschiedlicher Schaltmuster auf Stromoberwellen in den Wicklungen)
•   Optimierung der verwendeten Verfahren bzw. Untersuchung alternativer Schätzstrukturen

Mögliche Tätigkeiten:
•   Recherche
•   Modellierung und Simulation
•   Entwurf von Beobachtern
•   Elektronikentwicklung
•   Implementierung auf Mikrocontrollern
•   Konzipierung und Durchführung von Versuchen

Ansprechpartner: Klaus Schuhmacher, M.Sc.

Beispielhaftes Diagramm einer Magnetfeldmessung

Magnetfeldmessung an Rotoren

Gerade im Bereich der Elektromobilität werden zunehmend Torquemotoren eingesetzt, die aufgrund einer großen Polzahl hohe Drehmomente bei geringen Drehzahlen ermöglichen und so, in kompakter Bauform, den Verzicht auf ein zusätzliches Getriebe erlauben. Prinzip bedingt findet sich bei solchen Antrieben eine hohe Anzahl an Permanentmagneten im Rotor, die im Rahmen der Fertigung in einem engen Toleranzband präzise zu positionieren sind. Zur Prüfung der Qualität dieser Positionierung kann der Verlauf der magnetischen Flussdichte in einem definierten Abstand von der Rotorachse bestimmt und analysiert werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung, Konstruktion und Inbetriebnahme eines entsprechenden Prüfplatzes, der, basierend auf einem einzelnen Hallsensor oder einem Array aus Hallsensoren, eine Visualisierung der Magnetpositionen entlang des Umfangs erlaubt. Neben einer mechanischen Konstruktion, die eine exakte Ausrichtung zwischen dem zu prüfenden Rotor und dem Sensor gewährleistet, ist hierzu ebenfalls eine geeignete Auswerteelektronik mit entsprechender Softwareschnittstelle zu entwickeln. Anhand der aufgezeichneten Daten kann dann eine Beurteilung der Rotorqualität erfolgen. Die Abschlussarbeit zeichnet sich durch ein vielfältiges Arbeitsfeld aus, das nahezu alle Bereiche der Mechatronik abdeckt.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Robert Schwartz

Optimierungsstrategien für die Modellierung elektrischer Antriebe

Um ein optimales Design einer elektrischen Maschine zu ermitteln, ist ein nichtlineares Optimierungsproblem mit mehreren Zielfunktionen zu lösen. Mögliche Zielfunktionen beinhalten z.B. das Drehmoment, die Drehmoment-schwankungen, die Verluste oder das Gewicht. Die Ergebnisse werden z.B. mithilfe einer Pareto-Front interpretiert. Um die Anzahl der zu variierenden Parameter möglichst klein zu halten, werden im Vorfeld z.B. Sensitivitätsanalysen durchgeführt.

Ziel dieser Arbeit ist die Anwendung und Untersuchung verschiedener Optimierungsverfahren mit dem Fokus auf stochastische Methoden. Die Arbeit gliedert sich dabei in die Bereiche:

Einarbeitung in die Themen Optimierung und Sensitivitätsanalyse
Literaturrecherche zu Optimierungsverfahren für das Design elektrischer Antriebe
Untersuchung ausgewählter Verfahren mit Matlab in Verbindung mit einfachen FE-Modellen in Comsol Multiphysik
Vergleich der Ergebnisse mit bereits vorhandenen Analysen in Ansys Maxwell

Ansprechpartner: Stephan Kleen, M.Sc.

Schematische Darstellung zur Verdrillung von Schnüren

Weiterentwicklung von Schnurantrieben

Über ein Verdrillen paralleler Schnüre lassen sich sowohl lineare als auch rotatorische Bewegungen mit hoher Übersetzung realisieren, so dass als Antrieb oft ein relativ kleiner Motor ausreicht. Ziel dieser Arbeit sind zum Einen die Durchführung grundlegender Untersuchungen zum genauen Verständnis der Kraftentstehung und auftretender Ermüdungserscheinungen bei den Schnüren. Zum Anderen sind aufbauend auf Vorarbeiten konstruktive Ansätze hin zu praxistauglichen Lösungen in Form von Prototypen und deren Charakterisierung fortzuführen. Raum für eigene Ideen und eine Messausrüstung zur Charakterisierung belasteter verdrillter Schnüre sind vorhanden.

Ansprechpartner: Chris May, B.Sc.

Prüfstand für Torque-Motoren

Torque-Motoren sind höherpolige Synchronmotoren, die sich aufgrund ihrer Leistungsdichte, Effizienz und Regelbarkeit unter Verzicht auf ein Getriebe als Direktantrieb für anspruchsvolle Antriebsaufgaben eignen. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Prüfstand zu entwickeln, der sich spezifsch für das Vermessen von Torque-Motoren für den Einstatz in mobilen Anwendungen eignet. Der Prüfstand muss u.a. in der Lage sein, die ungelagerten Einzelkomponenten Rotor und Stator aufzunehmen und präzise zueinander auszurichten. Die Prüflinge sind im Motor- und Generatorbetrieb zu testen. Parameter wie Drehzahl, Drehmoment, Exzentrizität etc. sind zu erfassen.

Antrieb für ein Foucault'sches Pendel

Ein Foucault'sches Pendel ist ein langes Fadenpendel mit einer großen Pendelmasse, mit dessen Hilfe Jean Bernhard Léon Foucault 1851 im Pariser Panthéon die Erdrotation anschaulich nachgewiesen hat. Ziel dieser Arbeit ist es, einen geeigneten Antrieb für ein Foucault'sches Pendel zu entwickeln, welcher einerseits die für den dauerhaften Betrieb erforderliche Energie zuführt und andererseits die aufgrund unvermeidbarer Störeffekte ausgelöste, aber unerwünschte Präzession idealerweise vollständig unterbindet. Es kann auf theoretische Vorarbeiten am LAT zum Foucault'schen Pendel zurückgegriffen werden.