Elektrische Antriebe und Aktuatorik
Elektrische Energie kontrolliert in Bewegung umsetzen
Ein elektrischer Antrieb soll eine definierte Bewegung erzeugen. Dafür muss er das geforderte Drehmoment und die erforderliche Drehzahl oder Bewegungsgeschwindigkeit bereitstellen und auch bei wechselnden Lasten kontrollierbar bleiben. Bei einem Aktuator kommt hinzu, wie die erzeugte Bewegung oder Kraft auf die mechanische beziehungsweise hydraulische Funktion übertragen wird. Entscheidend ist deshalb nicht eine einzelne Komponente, sondern das abgestimmte Gesamtsystem.
Silver Atena entwickelt und integriert elektrische Antriebssysteme und Aktuatorik. Dabei betrachten wir Motor, Leistungselektronik beziehungsweise Inverter, Sensorik, Regelung, Mechanik und Energieversorgung gemeinsam. Die Auslegung richtet sich nach der Funktion, die das System erfüllen muss – vom hochdynamischen Antrieb eines Nebenaggregats bis zum elektrischen Aktuator für eine sicherheitsrelevante Funktion.
Herausforderungen bei elektrischen Antrieben und Aktuatoren
Die Leistungsfähigkeit eines Antriebs entsteht aus dem Zusammenspiel mehrerer Komponenten. Der Motor muss zur Last und zum Betriebsbereich passen. Der Inverter muss die erforderlichen Ströme und Spannungen bereitstellen. Die Regelung muss das gewünschte Verhalten erzeugen und zugleich die elektrischen, thermischen und mechanischen Grenzen des Systems berücksichtigen.
Wer diese Komponenten getrennt auslegt, riskiert Zielkonflikte. Der Antrieb erreicht möglicherweise nicht die geforderte Dynamik, Verluste führen zu hoher Wärmeentwicklung oder die Energieversorgung begrenzt die verfügbare Leistung. Sensorik und Signalverarbeitung beeinflussen zusätzlich, wie genau, dynamisch und zuverlässig sich der Antrieb regeln lässt.
Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen müssen unter anderem unbeabsichtigtes Anlaufen, ungewollte Bewegungen, fehlerhafte Drehmomente und der Verlust der Antriebsfunktion betrachtet werden. Welche Überwachungsfunktionen und Fehlerreaktionen erforderlich sind, ergibt sich aus der Anwendung und den abgeleiteten Sicherheitsanforderungen.
Leistungen für elektrische Antriebssysteme und Aktuatorik
Der Kompetenzumfang umfasst elektrische, elektromechanische und elektrohydraulische Aktuatoren sowie hochdynamische Antriebe. Neben dem Funktionsverhalten berücksichtigen wir Diagnose, Schutzfunktionen, thermische Belastung und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Verifikation und Validierung zeigen, ob das System seine Anforderungen erfüllt und für den vorgesehenen Einsatz geeignet ist. Die projektspezifische Qualifikation ergänzt diese Nachweise, soweit erforderlich.
Systemauslegung und Komponentenabstimmung
Die Entwicklung beginnt mit einer messbaren Beschreibung der Aufgabe. Dazu gehören die geforderte Bewegung oder Leistung, relevante Lasten, Lastkollektive und Betriebszustände sowie die Grenzen aus Versorgungsspannung, verfügbarer Leistung, Bauraum, Kühlung und Umgebungsbedingungen.
Aus diesen Randbedingungen leiten wir die Anforderungen an die beteiligten Komponenten ab.Abstimmung von Motor und Inverter
Motor und Inverter bilden den Kern des elektrischen Antriebs. Ihre Abstimmung beeinflusst den nutzbaren Betriebsbereich, die Dynamik, den Wirkungsgrad und die thermische Belastung. Zugleich müssen die Schnittstellen zur Energieversorgung und zur Steuerung in das Gesamtkonzept passen.
Die Entwicklung der Leistungsstufe knüpft an unsere Kompetenz in der Leistungselektronik und bei DC/AC-Wechselrichtern an. Welche Anteile der Motorauslegung, Komponentenauswahl und Integration Silver Atena übernimmt, wird projektspezifisch festgelegt.Motor- und Positionsregelung
Je nach Anwendung muss ein Antrieb beispielsweise ein Drehmoment erzeugen, eine Drehzahl halten oder eine Position anfahren. Die Regelung verarbeitet Sollwerte und Messgrößen und berechnet daraus die Stellgrößen für den Inverter und den Motor.
Silver Atena entwickelt Regelungen passend zu Motor, Last und gefordertem Funktionsverhalten.Sensorik und Rückführung
Eine geregelte Bewegung benötigt verlässliche Informationen über den Systemzustand. Welche Messgrößen und Sensoren erforderlich sind, ergibt sich aus der Funktion und dem Regelungskonzept. Sensorik, Signalverarbeitung und Regelung werden deshalb gemeinsam ausgelegt.
Zur Auslegung gehört auch die Frage, wie sich fehlende oder fehlerhafte Rückmeldungen auswirken. Daraus entstehen Anforderungen an Plausibilisierung, Diagnose und Überwachung.Diagnose, Schutz und Betriebsstrategien
Ein Antrieb muss mit wechselnden Betriebsbedingungen und spezifizierten Fehlerfällen umgehen können. Diagnosefunktionen erkennen relevante Zustände. Schutzfunktionen und Betriebsstrategien lösen die dafür festgelegten Reaktionen aus.
Die Betriebsstrategie verbindet die gewünschte Funktion mit den Grenzen des Systems. Sie berücksichtigt unter anderem die verfügbare elektrische Leistung und die thermische Belastung, etwa durch eine definierte Leistungs- oder Drehmomentbegrenzung.Integration, Prüfstandstests und Qualifikation
Nach der Auslegung müssen Elektronik, Software, Sensorik und Antriebskomponenten als System zusammenarbeiten. Silver Atena integriert die beteiligten Komponenten und untersucht das Verhalten in geeigneten Testumgebungen.
Prüfstandstests und Systemverifikation zeigen, ob der Antrieb die spezifizierten Anforderungen erfüllt. Die Validierung bewertet, ob das System für den vorgesehenen Einsatz geeignet ist. Die aus den Anforderungen abgeleiteten Umwelt- und Belastungsprüfungen ergänzen die funktionalen Nachweise und dienen, soweit erforderlich, der projektspezifischen Qualifikation.
Entwicklungsprozess für elektrische Antriebe
- Anforderungen und Systemkonzept: Betriebszustände, Lasten, Schnittstellen, Umgebungsbedingungen und Sicherheitsanforderungen werden erfasst. Daraus entstehen Systemkonzept, Architektur und die Zuordnung der Funktionen zu den Komponenten. Gleichzeitig wird festgelegt, wie die Anforderungen später verifiziert und validiert werden.
- Auslegung und Simulation: Motor, Leistungselektronik, Sensorik, Regelung und Mechanik werden aufeinander abgestimmt. Simulationen unterstützen die Auslegung und erlauben erste Bewertungen von Betriebsbereich, Dynamik, Verlusten und thermischer Belastung, bevor alle Komponenten als reale Muster vorliegen.
- Integration und Inbetriebnahme: Mit zunehmendem Reifegrad werden Hardware und Software zusammengeführt und zunächst auf Komponentenebene, anschließend im integrierten System geprüft.
- Verifikation und Qualifikation: Messungen, Prüfstandstests und projektspezifische Qualifikationsprüfungen liefern den Nachweis, dass die festgelegten Anforderungen erfüllt werden.
Erkenntnisse aus Integration und Test fließen in Anforderungen, Modelle, Auslegung und Betriebsstrategie zurück. Erreicht der Antrieb etwa die geforderte Dynamik nicht oder steigt seine thermische Belastung zu stark an, wird die Ursache im Zusammenspiel von Komponenten und Betriebsstrategie untersucht.
Methoden und Standards für elektrische Antriebe
Systemsimulationen bilden Motor, Elektronik, Regelung und Last in ihrem Zusammenwirken ab. Sie unterstützen die Konzeptbewertung und die Auslegung der Regelung. Messungen und Prüfstandstests zeigen anschließend, wie gut das reale Verhalten mit dem Modell und den Anforderungen übereinstimmt.
Für sicherheitsrelevante Automotive-Anwendungen kann ISO 26262 maßgeblich sein. Anforderungen an die Cybersicherheit können sich aus ISO/SAE 21434 ergeben.
In zivilen Luftfahrtprojekten können je nach Entwicklungsumfang unter anderem DO-178C für Software, DO-254 für elektronische Hardware sowie ARP4754B für die Entwicklung von Flugzeugen und Systemen relevant sein. Sicherheitsanalysen können sich an ARP4761A orientieren. Welche Standards, Ausgaben und Nachweise gelten, wird projektspezifisch festgelegt.
Elektrische Antriebe in Automotive, Aerospace und Defence
Automotive
Elektrische Antriebe übernehmen im Fahrzeug Aufgaben im Antriebsstrang, in Nebenaggregaten und in Aktuatoren, deren Funktion eng mit dem Gesamtsystem verbunden ist. Silver Atena entwickelt Lösungen für aktive Fahrwerksysteme, Hochvolt-Traktionsantriebe und Hochdrehzahlantriebe für Turboverdichter. Die Anwendungen unterscheiden sich in Last, Leistung und Dynamik.
Aerospace
In der Luftfahrt treiben elektrische Systeme sowohl Aktuatoren und Nebenaggregate als auch, bei elektrischen oder hybriden Konzepten, den Propeller oder Fan an. Masse, Bauraum, Energieversorgung, Umweltbedingungen und Sicherheitsanforderungen prägen die Systemauslegung.
Silver Atena entwickelt Motorsteuerungselektronik für elektrische Slat- und Flap-Antriebe. Sie steuert den Motor und die zugehörige Bremse und wird in das High-Lift-System des Flugzeugs integriert.
Für elektrische und hybride Flugzeugantriebe verbinden wir Antriebselektronik und Regelung mit der Systemauslegung im Bereich Electric Propulsion.Defence
Bei Defence-Anwendungen richten sich elektrische Antriebe nach den jeweiligen Funktions-, Umwelt- und Sicherheitsanforderungen. Robustheit und ein definiertes Verhalten unter den vorgesehenen Einsatzbedingungen sind zentrale Auslegungsziele. Je nach Projekt bestimmen unter anderem Temperatur, Vibration, Schock, elektromagnetische Umgebung und Energieversorgung die Auslegung und den erforderlichen Nachweisumfang.
Vorteile einer abgestimmten Antriebsauslegung
Die gemeinsame Auslegung von Motor, Inverter, Sensorik, Regelung und Mechanik macht Wechselwirkungen früh sichtbar. Dynamik, elektrische Versorgung, thermische Grenzen und mechanische Last lassen sich dadurch im Zusammenhang bewerten.
Für die Integration entsteht eine nachvollziehbare Grundlage. Betriebsbereiche und Grenzen werden definiert, Schnittstellen abgestimmt und notwendige Diagnose- und Schutzfunktionen festgelegt. Das reduziert das Risiko später Anpassungen zwischen den Komponenten. Konkrete Verbesserungen bei Wirkungsgrad, Dynamik oder Integrationsaufwand hängen jedoch von Anwendung und Ausgangssituation ab und müssen am jeweiligen System nachgewiesen werden.
Elektrische Antriebe im Zusammenspiel der Fachbereiche
Elektrische Antriebe und Aktuatorik sind mit mehreren Entwicklungsdisziplinen verbunden:
- Systemarchitektur und Systemintegration definieren die technische Struktur und die Schnittstellen.
- Energieversorgung, Bordnetz und Ladetechnik legen die elektrischen Randbedingungen fest.
- Regelungsentwicklung und Embedded Software setzen das gewünschte Verhalten und die Betriebsstrategien um.
- Mechanik und Gehäuse bestimmen Aufbau, Bauraum und Schutz der Komponenten. EMV und Thermomanagement beeinflussen Störfestigkeit, Emissionen und Wärmeabfuhr.
- Funktionale Sicherheit und Cybersicherheit leiten aus den jeweiligen Analysen projektspezifische Anforderungen und Maßnahmen ab.
- Testsysteme, Test und Validierung sowie Umwelterprobung tragen zusammen mit Analysen, Reviews und Simulationen zu den erforderlichen Nachweisen bei.
Warum Silver Atena für elektrische Antriebe?
Silver Atena entwickelt elektrische Antriebe im Zusammenspiel von System, Leistungselektronik, Regelung, Embedded Software und Test. Dadurch lassen sich Schnittstellen und Zielkonflikte fachübergreifend bearbeiten.
Die Anwendungen reichen von Fahrwerks- und Hochdrehzahlantrieben bis zur Motorsteuerungselektronik für die Luftfahrt. Diese Projekterfahrung unterstützt die Auslegung von Schnittstellen, Regelung, Diagnose und Test.
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