Erforschung von Designaspekten bei "High-Speed"-Asynchronmaschinen hinsichtlich der Verwendung in der Luftfahrt

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Ergebnissen einer Machbarkeitsstudie der elektrischen Antriebstechnik im Bereich des hybriden Fliegens. Hierzu wird eine Asynchronmaschine als Turbogenerator mit einer Drehzahl von 50000 rpm in einer Leistungsklasse von 700 kW ausgelegt, um die Energieversorgung eines Flugzeugs zu gewährleisten. Die Arbeit stellt die grundlegenden Designrichtlinien für schnell drehende elektrische Maschinen hoher Leistung dar und verschafft mit einem Topologievergleich elektrischer Maschinen einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik hinsichtlich des Hochdrehzahlbereichs. Zunächst werden analytische Berechnungen hinsichtlich der Betriebsdaten der Maschine sowie Geometrie- und Bauraumabschätzungen zur auszulegenden Asynchronmaschine vorgestellt. Anschließend werden mechanische Designbetrachtungen beschrieben. Des Weiteren werden Überlegungen zu möglichen Sicherheitsfaktoren und numerische Stabilitätsanalysen unter Berücksichtigung der speziellen Anforderungen in Luftfahrtanwendungen thematisiert. Potentialabschätzungen für luftfahrttaugliche Materialien hoher Leistungsfähigkeit werden ebenfalls vorgenommen. Zur Abführung der Verluste werden thermische Betrachtungen angestellt. Hierzu wird eine Wasserstoff-Wasser-Kombination herausgearbeitet und durch Simulationen verifiziert. Das elektromagnetische Design zeigt eine 6-phasige Asynchronmaschine, welche sich durch eine hohe Zuverlässigkeit auszeichnet. Der Wirkungsgrad der ausgelegten Asynchronmaschine übersteigt den ursprünglich geforderten Wert von 94% um mehr als 2%. Zur Vertiefung des elektromagnetischen Designs werden Ansätze zur Reduzierung der Simulationszeit numerischer Rechnungen beschrieben. Diese sind zwingend notwendig, um Ergebnisse in akzeptabler Zeit verfügbar zu machen.