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The demand for electric machines has been rising steadily for several years-mainly due to the move away from the combustion engine. Synchronous motors with rare earth permanent magnets are widely used due to their high power densities. These magnets are cost-intensive, cost-sensitive and often environmentally harmful. In addition to dispensing with permanent magnets, electrically excited synchronous machines offer the advantage of an adjustable excitation and, thus, a higher efficiency in the partial load range in field weakening operation. Field weakening operation is relevant for the application of vehicle traction drive. The challenge of this machine type is the need for an electrical power transfer system, usually achieved with slip rings. Slip rings wear out, generate dust and are limited in power density and maximum speed due to vibrations. This article addresses an electrically excited synchronous machine with a wireless power transfer onto the rotor. From the outset, the machine is designed with a wireless power transfer system for use in a medium-sized electric vehicle. As an example, the requirements are derived from the BMW’s i3. The wireless power transfer system is integrated into the hollow shaft of the rotor. Unused space is thus utilized. The overall system is optimized for high efficiency, especially for partial load at medium speed, with an operation point-depending optimization method. The results are compared with the reference permanent magnet excited machine. A prototype of the machine is built and measured on the test bench. The measured efficiency of the inductive electrically excited synchronous machine is up to 4% higher than that of the reference machine of the Bayerische Motoren Werke AG (BMW) i3., Vector Stiftung

Damit das fahrdrahtlose Energieübertragungssystem (FEÜ) eine Alternative zu den bestehenden Energieübertragungssystemen von Bahnfahrzeugen sein kann, muss das System für das gesamte Leistungsspektrum von Vollbahnen geeignet sein. Von entscheidender Bedeutung ist hierbei die an das System gestellte Höchstanforderung. Aus diesem Grund wurden ein Referenzfahrzeug der Ultra-Hochgeschwindigkeitszug NGT HGV für die Untersuchungen herangezogen, welcher im Rahmen des Projektes „Next Generation Train“ (NGT) am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelt wird. Dieser 202 m lange doppelstöckige Triebzug besteht aus zwei End- sowie acht Mittelwagen und erreicht eine Betriebsgeschwindigkeit von 400 km/h. Der maximale Gesamtleistungsbedarf des NGT HGV einschließlich Verluste sowie des Leistungsbedarfs für Hilfs- und Komforteinrichtungen beträgt ≈ 25 MW. Die Stromübertragung erfolgt bei Vollbahnen in der Regel über Oberleitungen und Stromabnehmer. Dieses Übertragungssystem ist durch eine Reihe betrieblicher Nachteile gekennzeichnet, die im Wesentlichen aus der kontaktbehafteten Stromübertragung resultieren. Zum einen führt die Stromübertragung über einen Gleitkontakt zum Verschleiß der Kontaktmaterialien. Zum anderen führt der Stromabnehmer zu einem erhöhten Energiebedarf infolge des aerodynamischen Widerstands und vor allem bei höheren Geschwindigkeiten zu signifikanten Schallemissionen. Hinzu kommt, dass das Übertragungssystem äußeren Einflüssen unterliegt, welche das Kontaktverhalten zusätzlich negativ beeinflussen und die Verfügbarkeit des Gesamtsystems einschränken können bis hin zum temporären Systemausfall. Aus den genannten Gründen ist es erstrebenswert, eine Alternative zu dem bisherigen System zu entwickeln. Ein berührungsloses Energieübertragungssystem kompensiert dabei die genannten Nachteile des konventionellen Stromabnehmer-Oberleitung-Systems. Aufgrund der Spezifika der Anwendung im Vollbahnbereich mit hohen Übertragungsleistungen wurde zu Projektbeginn festgelgt, dass die Energieübertragung induktiv nach dem transformatorischen Prinzip erfolgen soll.

Ein induktives Ladesystem mit hoher Übertragungsleistung, hohem Wirkungsgrad, Flexibilität in der Fahrzeugpositionierung, Fremdobjekterkennung, geringen elektromagnetischen Emissionen und sicherer Datenübertragung ist bei gleichzeitig geringem Bauraum sehr kostenintensiv. In dieser Arbeit wird der Entwicklungsprozess des Leistungsteils eines induktiven Ladesystems mit der Konzeption, der Auslegung, der Simulation und der Betriebsstrategie behandelt. Die entwickelten Spulensysteme werden in ein leistungselektronisches System eingebettet, das mit möglichst wenigen Komponenten realisiert wird, um Platz und Materialkosten zu sparen. Dazu gehört auch das Prinzip, auf aufwändige Messtechnik zu verzichten und diese durch Berechnungen zu ersetzen. Die Bereitstellung mathematischer Methoden ist themenübergreifend ein zentraler Beitrag dieser Arbeit. Für die effiziente Auslegung der Spulen, die Modellierung und die Zustandserfassung im Betrieb werden eigene Berechnungsverfahren vorgestellt. Durch Experimente werden diese in einem realitätsnahen Szenario verifiziert.

Im Zuge der Elektrifizierung von Fahrzeugantrieben gewinnt die akustische Auslegung von elektrischen Maschinen zunehmend an Bedeutung und stellt eine wichtige Anforderung bei der Produktentwicklung dar. Durch das Downsizing von Verbrennungsmotoren bzw. durch eine vollständige Elektrifizierung verändert sich das akustische Verhalten im Fahrzeuginnenraum, sodass sich tonale elektromagnetische Geräusche störend auswirken können. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Modellierung und Validierung des elektromagnetischen Geräusches einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine. Die Zielstellung dieser Dissertation besteht darin, das elektromagnetische Geräusch unter Berücksichtigung der 3D Rotordynamik und mechanischer Fügestellen mit Hilfe von Finite-Elemente- und Randelemente-Modellen effizient zu berechnen. Der entwickelte Berechnungsansatz leistet einen Beitrag zur Berücksichtigung und akustischen Bewertung von rotordynamisch induzierten elektromagnetischen Seitenbändern, der statistischen Berechnung von Systemeigenfrequenzen sowie zur Prognose des Dämpfungsverhaltens von elektrischen Maschinen. Die Verifizierung des entwickelten Verfahrens erfolgt anhand von unterschiedlichen Messungen und Messdaten.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit den speziellen magnetischen Eigenschaften einer permanenterregten Transversalflussmaschine (TFM) im Kontext winkelgeberloser Regelungsverfahren. Zur Abdeckung des gesamten Betriebsbereichs wird eine Beobachterstruktur mit Online-Parameteridentifikation und einem Injektionsverfahren vorgestellt, das auf einem Hysterese-Stromregler basiert. Diese neuartige Kombination ist vorteilhaft bei der Kompensation von statorfesten Anisotropien im Magnetkreis der TFM und erzielt in Fahrzyklen am Prüfstand gute und zuverlässige Ergebnisse. The presented thesis discusses the specific magnetic characteristics of a permanent magnet transverse flux machine (TFM) in the context of sensorless control algorithms. In order to cover the entire operational area an observer structure with online parameter identification and signal injection is presented, which is based on hysteresis current control. This novel combination is advantageous for the compensation of stator fixed anisotropies in the magnetic circuit of the TFM and achieves good and reliable results in drive cycles at the test stand.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem Lineargenerator, der in einem Freikolbenlineargenerator zum Einsatz kommt. Ziel ist eine signifikante Reduktion des Treibstoffverbrauchs eines hybridisierten Fahrzeugs. Die aus den Randbedingungen des Lineargenerators resultierenden Anforderungen werden analysiert und in einen theoretischen Ansatz überführt. Daraus ergeben sich ein analytisches und ein numerisches Maschinenmodell. Mit diesen und unter Verwendung eines Simulationsmodells, in dem die Systemumgebung einbezogen ist, wird der Lineargenerator optimiert. Des Weiteren wird der Aufbau des Prototypen und dessen Vermessung beschrieben. The presented paper studies a linear generator to be used in a free-piston linear generator. The goal is a significant reduction of fuel consumption in a hybrid-vehicle. The complex border conditions of the linear generator will be analyzed and transferred into a theoretical approach. This approach can be translated into an analytical and a numerical model oft he linear generator. The linear generator is optimized using these models and using a simulation of the system environment. Furthermore, the prototype construction and measurement is presented.

Three case studies have been presented for new applications of inductive energy and data transfer (iEDT)-sensor systems. The first application is a condensation detection system for the windshield of an automobile. The developed iEDT-sensor prototype provides a low cost alternative for wireless dew point measurements which involves no wired connections and so can be easily replaced when the windshield is damaged. The second application involves an iEDT-sensor prototype developed wirelessly query the flow rate in a pipe. For the third application, measurement results were performed for a wireless implant system. The application involves a Wireless Sensor (WS), implanted under the dura mater, which was to be used for long term cortical measurement and stimulation with a very high resolution. A suite of tools provided two independent methods of simulating the coil self resonance, quality factor, coupling and self inductance as well as the overall system efficiency. The inductance and coupling were verified within 10% error compared to measurement results and the resonance, quality factor and efficiency to within 30% error. An accurate simulation of the efficiency was predicated by an accurate simulation of the quality factor at the operating frequency. A series of scripts were also developed to automate the construction of the coil geometry, the simulation control and the compilation of the simulation results. These scripts offered the ability to quickly analyze variations in implementation and their affect on the system parameters and efficiency. For the third application, a new and unique topology for the iEDT-sensor system was presented which resulted in three redundant and independent implant coils each capable of simultaneously delivering power to the sensor electronics. This phased array topology has never before been examined for iEDT-systems as far as is known by the author. The new topology demonstrated a similar efficiency when compared to a single implant coil system of the same dimensions and a similar quality factor. Upon implantation, simulations demonstrated that the expected loss in efficiency should be limited to 10%. SAR-value simulations showed that the ISM frequencies at or below 13.56MHz would be in compliance with FCC regulations. The coupling and self inductance measurements for the phased array coil system were confirmed within 10% error compared to the simulations and the quality factor, self-resonance and efficiency were also shown to be accurate to within 20%. The simulated maximum efficiency of the phased array system was, however, substantially lower than the analytically calculated efficiency due to parasitic effects. The outlook for the work is as follows. The scripts should be expanded to include inductors with magnetic cores in order to allow for high power and low frequency applications as well as 3-D simulations in order to allow for more complex geometries. It should also be possible to increase the efficiency per unit area of the phased array coil system by minimizing the parasitic impedance thereby leading to an efficiency per unit area that is greater than that of a single coil system. The result would be a higher efficiency system, especially important for high power applications. This type of phased array coil approach could also be employed in the coil system of the Wireless Power Supply in order to create large areas which could efficiently supply mobile wireless devices with power.