Rückblick 2018
Praxisforum Elektrische Antriebstechnik 2018
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Berichterstattung 2018
„Immer wieder neue Impulse, die ich als Entwickler nutzen kann“
Einmal mehr vermittelte das Praxisforum Antriebstechnik im März 2018 Fachwissen auf hohem Niveau. Mehr als 300 Teilnehmer trafen sich, um neue Fähigkeiten kennenzulernen und Techniken zu diskutieren.
Nicht nur wenn es um die digitale Fabrik oder die Elektromobilität geht, muss Antriebstechnik künftig mehr leisten als bisher. Um aktuellen Herausforderungen begegnen zu können, brauchen Vorentwicklung, Prototyping, Maschinenkonstrukteure und Hard- & Software-Entwickler neue Methoden und Tools. Als Fortund Weiterbildungsmaßnahme bietet das dreitägige Praxisforum Elektrische Antriebstechnik ein weites, interdisziplinäres Themenspektrum.
Es schlägt die Brücke zwischen Forschung und Praxis; die begleitende Ausstellung zeigt den Nutzen neuer Tools und Techniken. Zum fünften Praxisforum Elektrische Antriebstechnik in Würzburg (20.bis 22. März 2018) trafen sich an drei Tagen mehr als 300 Teilnehmer, um neue Fähigkeiten und Techniken kennenzulernen und zu diskutieren. Die nachfolgenden Abstracts der Referate zeigen als Themenbeispiele die Bandbreite der Veranstaltung.
Wichtiger denn je:
das Wärme-Management
Beim Entwickeln von Leistungselektronik steht am Anfang eines jeden Design-Projekts das Abschätzen der Lebensdauer eines Systems. Um Re-Designs so weit wie möglich
einzuschränken, muss diese Lebensdauerabwägung sehr früh im Entwicklungsprozess stattfinden.
Meist liefern beschleunigende Umweltprüfungen die Grundlage für diverse Berechnungsmodelle. Die Kombination vieler Materialien und Belastungsprofile sorgt aber für eine beinahe unüberschaubare Menge an Ausfallmechanismen. Der Entwickler muss bei dieser Menge an Parametern den Überblick behalten – das ist nicht einfach. Zu den wichtigen Themenfeldern gehören nach wie vor thermische Interface-Materialien wie Pasten, Gele, Pads, Folien oder Klebstoffe, die für einen guten Wärmetransport zwischen zwei Festkörperoberflächen sorgen. Genaue Informationen zum Alterungsverhalten der TIMs sind heute in den wenigsten Fällen verfügbar. Da bleibt dem Entwickler nur sein Bauchgefühl.
Damit gewinnen Wärme-Management und Lebensdaueruntersuchungen leistungselektronischer Komponenten und Systeme weiter an Bedeutung. In Fragen der Lebensdaueranalyse löst das ZFW in Stuttgart seit 15 Jahren erfolgreich sensible Aufgaben aus Industrie und Forschung. Prof. Andreas Griesinger gab seinen großen Erfahrungsschatz, gesammelt durch die enge Kooperation der Dualen Hochschule Baden-Württemberg mit dem Zentrum für Wärme-Management in Stuttgart, in seinem Referat weiter. Die Teilnehmer lernten Merkmale und Herangehensweisen bei der thermischen Analyse von Wärmepfaden zur Lebensdaueruntersuchung elektronischer Komponenten und Systeme kennen und sie zu verstehen.
Versuch: exaktes
Bestimmen der Schaltverluste
In seinem Vortrag „Der Doppelpuls-Versuch: Charakterisierung und Messung von Leistungshalbleitern“ beschrieb Dr. Martin Schulz, Principal Application Engineer bei Infineon, einen optimierten Versuchsaufbau, der die exakte Bestimmung der Schaltverluste von Leistungshalbleitern ermöglicht. Anhand von realen Messergebnissen wurde deutlich, wie die Ein- und Ausschaltverluste an einem schaltenden Halbleiter entstehen und zu bestimmen sind. Sein Referat machte außerdem offensichtlich, welchen Einfluss die für die Messung gewählten Randbedingungen auf den Datenblattwert eines Bauteils haben. Das Lernziel: Aufbau einer Anordnung zur Bestimmung charakteristischer Größen am Leistungshalbleiter, Auswertung der Messergebnisse zur Ermittlung der dynamischen Verluste am Halbleiter und Einfluss der Mess-Systematik auf den Datenblattwert.
Lagerschädigung: Messen von Lagerströmen und -spannungen
Während des Betriebs elektrischer Motoren in modernen Antriebssystemen treten eine Reihe parasitärer Effekte aufgrund der schnell schaltenden Umrichter auf. In seinem Vortrag „Messen von Lagerströmen und -spannungen zur Beurteilung einer resultierenden Lagerschädigung an umrichtergespeisten Elektromotoren“ blickte Dr. Hans Tischmacher, Senior Engineer bei Siemens, auch auf den Einsatz von Wide-Badgap-Halbleitern. Einer der parasitären Effekte ist der Stromfluss durch die Motorlager. Dabei auftretende Lichtbogenentladungen im Schmierspalt können Material in den Lagerlaufbahnen aufschmelzen oder verdampfen. Dies führt im Fall von aufgeschmolzenem Laufbahnmaterial zu einer grau-mattierten Laufspur, die zunächst keinen Einfluss auf die Lagerlebensdauer hat. Bei Materialverdampfung kann eine sogenannte Riffelbildung entstehen. Sie ist gekennzeichnet durch eine senkrecht zur Wälzrichtung orientierte, in die Laufbahn erodierte Berg- und Talstruktur, die die Lagerlebensdauer verkürzt. Dies bedingt ungeplante Wartungseinsätze bzw. Anlagenstillstände und damit höhere Kosten. In Rahmen des Vortrags wurden nach einer Beschreibung der relevanten Einflussgrößen, die notwendigen Mess- und Analyseverfahren
vorgestellt, welche die Beurteilung der elektrischen Lagerbelastung sowie die Einschätzung einer resultierenden Lagerschädigung an umrichtergespeisten Elektromotoren erlauben. Lernziel: Lagerstromarten
und Abhilfemaßnahmen in elektrischen Antriebssystemen definieren, Analyse und Bewertung der elektrischen Lagerbelastung sowie Möglichkeiten zur Bestimmung des mechanischen Lagerzustands.
Lange Motorkabel: Fallstricke
und Schutzmaßnahmen
Im Folgevortrag verdeutlichte Michael Gadermann, Applikationsingenieur bei Infineon, den „Einfluss des Motorkabels auf die
Auslegung der Leistungselektronik“. Auf Grundlage von intensiven Labormessungen mit verschiedenen Motorkabellängen zeigte Gadermann die Einflüsse auf den Motor und
die Leistungselektronik. Eine große Herausforderung für Hersteller von Antriebsumrichtern ist die unbekannte Länge des Motorkabels, das sowohl den Motor als auch die leistungselektronischen Bauteile beeinflusst. Der Motor wird, je nach Konfiguration des Kabels und der Leistungselektronik, hohen Spannungsflanken ausgesetzt. Diese können dazu führen, dass die Isolierung und die Motorlager eine frühzeitige Alterung erfahren.
Eine Reduktion der Schaltgeschwindigkeiten ist deshalb in der Regel notwendig. Darüber hinaus beeinflussen die parasitären Komponenten des Motorkabels die Schaltverluste der leistungselektronischen Schalter. Besonders bei kleinen Leistungen und großen Kabellängen fällt dieser Effekt ins Gewicht und muss bei der Auslegung von Komponenten berücksichtigt werden. Der Vortrag zeigte Messergebnisse an Siliziumund Siliziumkarbid-Leistungsmodulen kleiner Stromklasse, an denen die Schaltverlustveränderungen und die sich ergebenden Oszillationen aufgrund des angeschlossenen Kabels genauer untersucht wurden. Lernziel: Den Weitblick für die generierten Zusatzverlusten in der Leistungselektronik durch lange Motorkabel schärfen, Erkenntnisse zu Oszillationseffekten aus praktischen Laboruntersuchungen gewinnen und Hinweise zur Auslegung der Leistungselektronik mit langen Motorkabeln vertiefen.
High-Power-PCB: hohe Ströme
und hohe Spannungen
Was ist zu berücksichtigen, wenn hohe Ströme im mittleren zweistelligen Ampere-Bereich und Spannungen im mittleren dreistelligen Volt-Bereich auf einer Leiterplatte auftreten? Antwort auf diese Frage gab Michael Schleicher, PCB-Designer bei SEMIKRON. Er verdeutlichte das Problem am Beispiel einer Anwendung aus dem Nutzfahrzeugbereich mit Generator, Zwischenkreis und Inverter. Seine Erfahrungen hinsichtlich Auswahl von Stack-up, Kupferquerschnitt und Low Power Drop, Umsetzung der Anforderung an Kriechstrecken, Simulationen, Messungen und den abgeleiteten Design-Regeln für ein Layouttool gaben Entwicklern einen Überblick über die Herausforderungen und Lösungen für Baugruppen mit hohen Strömen und Spannungen. Lernziel: Neben Grundlagen für Aufbauund Verbindungstechnik am Beispiel des gezeigten Systems stand die Umsetzung einer Ein-Platinen-Lösung mit Laststromkreisen, Leistungselektronik, Strommessung und Mikrocontroller ebenso im Fokus wie die Darstellung der Zusammenhänge zwischen "großen" Kupferquerschnitten im PCB-Stackup und den Anforderungen an die Isolation.
Robotik-Design: Erhöhung
der Drehmomentdichte
Die Robotik ist derzeit einer der wachstumsstarken Märkte und verlangt hochintegrierte Antriebssysteme. Das bedeutet kleine, leichte Servomotoren. Aus dieser Anforderung entsteht typischerweise das Spannungsfeld zwischen Verlustleistung und Motorgewicht. Andreas Hofmann, Entwickler bei TQ Systems, beleuchtete das Thema „Design-Aspekte zur Steigerung der Drehmomentdichte permanenterregter Servomotoren“. Er zeigte, wie sich durch geschicktes Motor-Design der Kompromiss aus Verlusten und Gewicht optimieren und dadurch die bis dato geltenden Grenzen der Drehmomentdichte bei 48-V-Motoren verschieben lässt. Die Kombination hoher Polpaarzahlen und dennoch maximalem Kupferfüllfaktor führt zu verlustminimierter Drehmomentbildung und somit zu kleinen, leichten Servos. An einem Praxisbeispiel wurde einerseits aufgezeigt welche Anforderungen entsprechende Motor-Designs an Servo-Controller stellen, andererseits verdeutlichte Hofmann welche praktischen Vorteile die gesteigerte Drehmomentdichte für Konstrukteure im Umfeld der elektrischen Antriebstechnik mit sich bringt. Lernziel: Grundlagen und Randbedingungen der Drehmomentbildung, optimales Motor-Design hinsichtlich Drehmomentdichte.
Das Praxisforum 2019 findet in Würzburg vom 25. - 27. März 2019 statt.
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1. Veranstaltungstag - 20. März 2018
2. Veranstaltungstag - 21. März 2018
3. Veranstaltungstag - 22. März 2018
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