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Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben nun ein aktives Getriebe entwickelt - analog eines geregelten Differenzials für Kraftfahrzeuge - das doppelte Umwandlung überflüssig macht. In Fahrzeugen heißen solche Überlagerungsgetriebe Torque-Vectoring-Systeme. Entwickelt wurde das Getriebe jedoch erst einmal für Windkraftanlagen. Für das Elektrofahrzeug Mute (Bild) der TUM wird das patentierte System weiter erforscht.
Große Windkraftanlagen werden derzeit meist drehzahlvariabel betrieben, erklärt die TUM. Bei starkem Wind drehe der Rotor schnell, wehe der Wind schwächer sinke die Drehzahl. Typischerweise mache der Rotor dabei 12 bis 16 Umdrehungen pro Minute. Über ein Getriebe ist der Generator mit dem Rotor verbunden. Auch seine Drehzahl variiert daher mit der Windgeschwindigkeit. Ins Netz einspeisen kann die Windkraftanlage aber nur einen Wechselstrom, der exakt zur 50 Hertz-Schwingung des Wechselstroms des Netzes passt. Bisher wird daher der Wechselstrom des Generators mit großen Gleichrichtern in Gleichstrom umgewandelt. Der Gleichstrom wird dann in einer zweiten Stufe wieder in Wechselstrom von exakt 50 Hertz transformiert.
Im Rahmen seiner Forschungsarbeit nahm der Lehrstuhl für Maschinenelemente der Technischen Universität München nun das System aus Getriebe und Generator genauer unter die Lupe. Um die Netzfrequenz von 50 Hertz zu erreichen, muss ein Generator mit der üblichen Polpaarzahl von zwei eine Synchrondrehzahl von exakt 1500 Umdrehungen pro Minute besitzen. Um diese Forderung trotz variabler Eingangsdrehzahl erfüllen zu können, entwickelten die Forscher ein neuartiges Überlagerungsgetriebe analog zu einem geregelten Differenzial für Kraftfahrzeuge, erklärt die TUM.
Ein Planetengetriebe sorgt für einen Großteil der benötigten Übersetzung. Hinzu kommt ein Überlagerungsgetriebe mit einem zusätzlichen Elektromotor, der sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden kann. Damit kann die vom Rotor ankommende Leistung gezielt unterstützt, oder abgezweigt werden, so dass sich eine konstante Abtriebsdrehzahl am Generator ergibt. Für eine Windkraftanlage mit 1,5 Megawatt reicht bei einem solchen Konzept ein Elektromotor mit einer Überlagerungsleistung von etwa 80 Kilowatt aus.
Auch für Differenziale in Fahrzeugen werden solche Überlagerungsgetriebe entwickelt und dort unter dem Namen Torque-Vectoring-System angeboten. Im Rahmen der Arbeit des Lehrstuhls im Wissenschaftszentrum Elektromobilität der TU München wird diese patentierte Entwicklung auch für das Elektrofahrzeugkonzept Mute weiter erforscht, das auf der IAA 2011 präsentiert werden soll. Hier erhöht die aktive Steuerung der Kraftverteilung die Fahrsicherheit, die Traktion und sorgt für ein sportliches Kurvenverhalten. Zudem verbessert der differentialbasierte Antrieb mit Torque-Vectoring-Einheit die Energierückgewinnung beim Bremsen. Das Betriebsverhalten des Elektromotors ist auf die Anforderungen an ein Stadtfahrzeug der Klasse L7E (Gewicht, Betriebspunkte) ausgelegt ist. Trotz seiner 15 Kilowatt beschert diese Kombination dem Fahrzeug eine sportliche Beschleunigung und eine Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h, erklärt die TU München. Betrieben mit Strom aus dem deutschen Stromnetz, entspricht sein Kohlendioxid-Ausstoß 42g/km. Im Rahmen des Projekts werden aber auch Szenarien entwickelt, wie das Fahrzeug zu 100 Prozent mit regenerativ erzeugtem Strom betrieben werden kann.