Kurbelwellen-Starter-Generatoren auf der Basis von Reluktanzmaschinen

Die elektrische Ausrüstung moderner Automobile der Oberklasse macht heute annähernd ein Viertel des Fahrzeuggesamtwertes aus. Fahrzeuge ohne elektronische Fahrdynamiksysteme, Navigationseinrichtungen und vollautomatischer Klimatisierung sind in den oberen Preissegmenten nicht mehr vorstellbar. Komforteinrichtungen wie zum Beispiel die fahrerabhängige Einstellung der Fahrwerkseigenschaften oder die Ausrüstung mit komplexen Audio- und Videosystemen entwickeln sich zu einem Standard in der Fahrzeugausstattung. Eine ausreichende Versorgung dieser Systeme mit elektrischer Energie ist in der Zukunft eine wesentliche Herausforderung im Inselsystem Kraftfahrzeug. Der Start des Verbrennungsmotors erfolgt derzeit über eine zusätzliche elektrische Maschine, die durch mechanische Untersetzungen das erforderliche Startmoment aufbringt. Innovative Konzepte der aktiven Hochlaufunterstützung oder der Rückgewinnung der Bremsenergie sind damit nicht umsetzbar. Eine Zusammenfassung des Generators und des Anlassers in einer elektrischen Maschine sowie die Erhöhung der Bordnetzspannung auf 42 Volt heben bestehende Begrenzungen in der Systemleistungsfähigkeit auf. Kurbelwellen-Starter-Generatoren sind die konsequente Weiterführung der Optimierung der elektrischen Energieversorgung und des Startens der Verbrennungsmaschine in Kraftfahrzeugen. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines Kurbelwellen-Starter-Generators auf der Basis einer Reluktanzmaschine beschrieben. Dabei wird die geschaltete Reluktanzmaschine einer Topologie mit transversaler Flussführung gegenübergestellt. Die Optimierung und die Bewertung der Eigenschaften der Maschinen erfolgt unter Berücksichtigung des gesamten Systems. Dabei sind die Ergebnisse der Feldberechung in der Form von dreidimensionalen Kennfeldern in die dynamische Simulation integriert. Zur Optimierung der Betriebseigenschaften der Reluktanzmaschine wird ein kombiniertes Verfahren aus stochastischen und genetischen Optimierungsstrategien verwendet. Ausgehend von den Simulationsergebnissen erfolgt der Aufbau eines Prototypen und die Entwicklung eines Umrichters für das zukünftige 42 Volt Bordnetz. Der im Rahmen dieser Arbeit aufgebaute Prüfstand ermöglicht die Abbildung sämtlicher Betriebszustände. Das Schleppmoment der Verbrennungsmaschine wird durch eine neu entwickelte, elektrisch angesteuerte und geregelt betriebene Scheibenbremse abgebildet. Messungen im Motorbetrieb zeigen die uneingeschränkte Funktion der ausgelegten Anordnung. Im Generatorbetrieb werden in einem weiten Drehzahlbereich hohe Leistungen bei gutem Wirkungsgrad erzielt. Mit der Entwicklung einer kompakten und leistungsfähigen Umrichterstruktur kann die Integration des Starter-Generators in ein Kraftfahrzeug erfolgen. Die Funktion dieser zusätzlich aufgebauten Einheit wird durch Messungen am Prüfstand dokumentiert. Der Vergleich der gemessenen und simulierten Werte zeigt eine hervorragende Übereinstimmung. Das vorgestellte gekoppelte analytisch-numerische Verfahren ermöglicht die effiziente und exakte Auslegung und Optimierung von Reluktanzmaschinen. Dabei ist der Einsatz des Verfahrens nicht auf Starter-Generatoren beschränkt. Der in dieser Arbeit erstmalig in einem geschlossenen Simulationsverfahren entwickelte und als Prototyp aufgebaute Kurbelwellen-Starter-Generator auf der Basis einer Reluktanzmaschine erfüllt die Anforderungen zukünftiger Kraftfahrzeuge.