Brennstoffzellentechnologien gelten als effizient, lokal CO2-neutral und können vielfältig eingesetzt werden. Dennoch stellen sie bislang keine kostengünstige Lösung dar und kommen in PKW selten vor. Um Entwicklungs- und Produktionskosten zu reduzieren und gleichzeitig eine höhere Systemsichtbarkeit zu erreichen, widmen sich die Autoren der Erstellung eines Modularisierungskonzepts für ein Brennstoffzellensystem zu dessen Nutzung in verschiedenen Anwendungen. Ziel ist es, ein modulares Brennstoffzellensystemkonzept zu entwickeln, das den Anforderungen aus der Kopplung verschiedener Anwendungsszenarien gerecht wird. Unter Berücksichtigung der Bauraumanforderungen sowie mechanischer und elektrischer Schnittstellen zwischen den Modulen und den Anwendungen wird ein Design für das Integrationskonzept des modularen Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Der Target Weighing Ansatz (TWA) wird herangezogen, um Leichtbaupotenziale auf Systemebene zu erkennen und zu bewerten. Zur Optimierung ausgewählter Komponenten wird die Methode der Topologieoptimierung angewandt, um bei gegebener Massenreduktion die Steifigkeit zu maximieren. Thermische Simulationen zeigen zudem die Wärmeabfuhr der Brennstoffzellen aus dem System unter Last. / Fuel cell technologies are considered efficient, locally CO2-neutral and can be used in a variety of ways. Nevertheless, they have not yet been a cost-effective solution and are rarely used in passenger cars. In order to reduce development and production costs and at the same time to achieve higher system visibility, the authors are dedicated to the creation of a modularization concept for a fuel cell system for its use in various applications. The aim is to develop a modular fuel cell system concept that meets the requirements arising from the coupling of different application scenarios. Considering the installation space requirements as well as me-chanical and electrical interfaces between the modules and the applications, a design for the integration concept of the modular fuel cell system is proposed. The Target Weighing Approach (TWA) is used to identify and evaluate lightweighting potentials on system level. The topology optimization method is applied to optimize selected components to maximize stiffness for a given mass reduction. Thermal simulations also show the heat dissipation of the fuel cells from the system under load.

Die Ausgangslage und das Entwicklungspotenzial der deutschen und europäischen Industrie können für diese Kernkomponente des Antriebsstrangs von E-Fahrzeugen insgesamt positiv eingeschätzt werden. Die Unternehmen in Deutschland verfügen über einen großen Erfahrungsschatz aus der konventionellen Antriebstechnik in Kombination mit jahrzehntelanger Entwicklungs- und Produktionserfahrung bei elektrischen Maschinen für andere Anwendungen. Die in Deutschland bestehende Investitions- beziehungsweise Anlagenbasis für die aktuellen Bedarfe entlang der Wertschöpfungskette elektrischer Maschinen ist weitestgehend als sehr gut einzuschätzen. Für die Produktion elektrischer Maschinen für xEV kann das gewachsene Netzwerk der deutschen Automobilindustrie zum Großteil weiterhin genutzt werden. Etablierte Partnerschaften und optimierte Lieferketten können bestehen bleiben. Die bestehende Personalbasis kann aufgrund der fachlichen Nähe zu konventionellen Industriebereichen problemlos für die meisten Wertschöpfungsschritte rund um die elektrische Maschine qualifiziert werden. Um die Vorreiterrolle der deutschen Automobilindustrie bei elektrischen Maschinen auch zukünftig zu sichern, die Wettbewerbsfähigkeit weiter auszubauen und die Nachhaltigkeit zu stärken, bestehen punktuell Handlungsbeziehungsweise Optimierungsbedarfe entlang der Wertschöpfungskette für einzelne Rohstoffe und Komponenten, insbesondere in Bezug auf die Versorgungssicherheit bei Seltenen Erden und Seltene-Erden-Permanentmagneten sowie auf das Recycling der elektrischen Maschinen. Der Großteil der Roh- und Werkstoffe für die Produktion elektrischer Maschinen kann durch bereits etablierte Wertschöpfungsnetzwerke und Lieferketten beschafft werden. Für wenige Spezialwerkstoffe, wie zum Beispiel Flächenisolierstoffe mit hoher Wärmebeständigkeit, bestehen punktuelle Abhängigkeiten aufgrund von Patenten und Investitionsvorsprüngen ausländischer Unternehmen. Die Produktion dieser Werkstoffe in Europa sollte gefördert werden. Im Bereich der zentralen Komponenten nimmt die deutsche Industrie für die Bauteile des klassischen Maschinenbaus eine Technologieführerrolle ein. Für die Entwicklung und Produktion der Komponenten Elektrobleche, Leiter beziehungsweise Wicklungen in Stator und Rotor, Verguss- beziehungsweise Füllmaterialien und Isolation ist Deutschland im weltweiten Wettbewerb auf Augenhöhe. Vereinzelte Aufholbedarfe bestehen etwa zu asiatischen Preisführern für die Produktion von Elektroblechen. Hier sind unter anderem Investitionen in moderne, leistungsfähige Anlagen erforderlich. Bei zunehmendem Volumen von elektrischen Maschinen für Automobilanwendungen ist ein Ausbau der vorhandenen Investitionsbasis notwendig, um den Automatisierungsgrad zu erhöhen. Die Lage für die Versorgung mit Seltenen Erden und Seltene-Erden-Permanentmagneten ist als kritisch einzustufen. Es besteht eine weltweite Abhängigkeit von chinesischen Lieferanten. Die Versorgung muss etwa über die Erschließung von Rohstoffabbaugebieten außerhalb von China, verstärktes Recycling von Seltenen Erden aus alten elektrischen Maschinen und den Ausbau der europäischen Produktion von Permanentmagneten in Europa gesichert werden. Zudem müssen alternative beziehungsweise disruptive Technologien weiter erforscht werden, die ohne oder mit erheblich weniger Seltenen Erden die gleiche Magnetwirkung erzielen und damit den Rohstoffbedarf reduzieren. Im Hinblick auf die wissenschaftliche Basis sowie das Entwicklungs- und Produktions-Know-how haben asiatische Wettbewerber einen Vorsprung, den es aufzuholen gilt. Unter Berücksichtigung des Bedarfes an höherer Leistungsklassen für schwere LKW, Bahn, Luft- und Schiffsverkehr ist der Forschungsbereich in Richtung neue Architekturen der Elektromotoren zu verstärken. Skalierung aus dem Automobilbereich sind nicht ohne weiteres zielführend, insbesondere mit Hinblick auf Optimierungskriterien Bauraum und Gewicht. [aus Executive Summary]:Executive Summary 1 Hintergrund und Vorgehensweise 2 Das Wertschöpfungsnetzwerk zur Produktion elektrischer Maschinen: Status Quo und Handlungsfelder Betrachtung entlang der Wertschöpfungstiefe (spaltenweise) Rohstoffe und Werkstoffe Komponenten und Hauptbauteile Antriebssystem und Anwendung Recycling Betrachtung entlang der Wertschöpfungsinhalte (zeilenweise) Wissenschaftliche Basis Entwicklungs- und Produktions-Know-how Marktzugang Personalakquise und -entwicklung Bestehende und aufzubauende Investitionsbasis Geschäftsmodelle und Investitionsbereitschaft Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit 3 Handlungsbedarfe Seltene Erden und Permanentmagnete Recycling 4 Fazit 5 Anhang Glossar und Abkürzungsverzeichnis Impressum / With regard to this key drivetrain component of electric vehicles, the starting position and the development potential of the German and European industries can be described as positive. Businesses in Germany have got a wealth of experience in conventional drive technology, combined with decades of experience in developing and manufacturing electric machines for other applications. The existing investment base in Germany for the current needs along the value chain for electric machines can largely be considered to be very good. For the most part, the evolved network of the German automotive industry can be continued to be used for the production of electric machines for xEV. Established partnerships and optimised supply chains can remain. Due to technical similarities with conventional industry sectors, existing employees can easily be trained for most of the value added steps in the context of electric machines. In order to further secure the leading role of the German automotive industry in the area of electric machines, to continue to develop its competitivity and to strengthen its sustainability, there is a need for targeted action and/or optimisation at various points along the value chain for individual raw materials and components, in particular with regard to the security of supply for rare earths and rare-earth permanent magnets as well as the recycling of electric machines. The lion share of the raw and processed materials required for the production of electric machines can be procured via established value networks and supply chains. For some special materials, e.g. high-temperature resistant surface insulating materials, there are specific dependencies due to patents and investment advantages of foreign companies. The production of these materials in Europe is to be supported. In the area of key components, the German industry plays a prominent role for elements of traditional mechanical engineering. In terms of development and production of components such as electrical sheets, conductors or winding in the stator and the rotor, casting or filling materials and insulation, Germany is competing on an equal footing internationally. In isolated cases, there is a need to catch up e.g. with Asian price leaders for the production of electrical sheets. This requires, among other things, investment in modern, high-performance equipment. As the volume in electric machines for automotive applications increases, the existing investment basis needs to be expanded in order to achieve a higher level of automation. The situation for the supply of rare earths and rare-earth permanent magnets can be classed as critical.:Executive Summary 1 Hintergrund und Vorgehensweise 2 Das Wertschöpfungsnetzwerk zur Produktion elektrischer Maschinen: Status Quo und Handlungsfelder Betrachtung entlang der Wertschöpfungstiefe (spaltenweise) Rohstoffe und Werkstoffe Komponenten und Hauptbauteile Antriebssystem und Anwendung Recycling Betrachtung entlang der Wertschöpfungsinhalte (zeilenweise) Wissenschaftliche Basis Entwicklungs- und Produktions-Know-how Marktzugang Personalakquise und -entwicklung Bestehende und aufzubauende Investitionsbasis Geschäftsmodelle und Investitionsbereitschaft Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit 3 Handlungsbedarfe Seltene Erden und Permanentmagnete Recycling 4 Fazit 5 Anhang Glossar und Abkürzungsverzeichnis Impressum

Aufbauend auf dem voranschreitenden Übergang zentralistischer Steuerungskonzepte über die Dezentralisierung hin zum verteilten System soll ein echtzeitfähiges Steuerungskonzept für die Antriebssynchronisation zur Patientenbewegung als lokal abgeschlossenes System erarbeitet werden. Dabei sollen Grundlagen echtzeitfähiger Steuerungstechnik, verteilter Systeme, der Prozesssynchronisation sowie entsprechende Kommunikationssysteme vorgestellt, bestehende Lösungen diskutiert und aus den Erkenntnissen entsprechende Konzeptvorschläge für die Lösung der Aufgabenstellung gemacht werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit soll aus den gewonnen Erkenntnissen und dem voranschreitenden Erfordernis der weltweiten Vernetzung technischer Systeme ein Konzept für die Integration und den echtzeitfähigen Zugriff auf dezentrale Peripheriekomponenten in das Internet erarbeitet werden. Für beide Teilaufgaben sollen Lösungsschritte aufgezeigt und evaluiert werden. Eine kritische Betrachtung der vorgestellten Konzepte erfolgt auf Basis bereits erfolgter industrieller Anwendung sowie in der Vorstellung einer zum Patent angemeldeten Lösung für den webbasierten Zugriff auf dezentral angeordnete Steuerungskomponenten.

Aufbauend auf dem voranschreitenden Übergang zentralistischer Steuerungskonzepte über die Dezentralisierung hin zum verteilten System soll ein echtzeitfähiges Steuerungskonzept für die Antriebssynchronisation zur Patientenbewegung als lokal abgeschlossenes System erarbeitet werden. Dabei sollen Grundlagen echtzeitfähiger Steuerungstechnik, verteilter Systeme, der Prozesssynchronisation sowie entsprechende Kommunikationssysteme vorgestellt, bestehende Lösungen diskutiert und aus den Erkenntnissen entsprechende Konzeptvorschläge für die Lösung der Aufgabenstellung gemacht werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit soll aus den gewonnen Erkenntnissen und dem voranschreitenden Erfordernis der weltweiten Vernetzung technischer Systeme ein Konzept für die Integration und den echtzeitfähigen Zugriff auf dezentrale Peripheriekomponenten in das Internet erarbeitet werden. Für beide Teilaufgaben sollen Lösungsschritte aufgezeigt und evaluiert werden. Eine kritische Betrachtung der vorgestellten Konzepte erfolgt auf Basis bereits erfolgter industrieller Anwendung sowie in der Vorstellung einer zum Patent angemeldeten Lösung für den webbasierten Zugriff auf dezentral angeordnete Steuerungskomponenten.

Im Industriesektor gibt es viele Anwendungen bei denen elektrische Maschinen rund um die Uhr in rauhen Umgebungen betrieben werden. Bei VEM wurden hierfür neue Antriebe entwickelt, die hohe Wirkungsgrade auf IE5 Niveau mit Robustheit, Wartungsarmut und niedrigen Anschaffungskosten kombinieren. In diesem Vortrag werden der Entwurfsprozess sowie die auf diese Weise erzielten Ergebnisse, gemessen anhand mehrerer Prototypen, präsentiert. Darüber hinaus wird der Einfluss der Fähigkeiten des Umrichters auf das Betriebsverhalten der Maschine betrachtet. / In industrial applications electrical machines are often operated around the clock in rough environments. VEM developed new drives for these applications, combining robustness, low maintenance effort and low cost with highest efficiency levels (IE5). In this presentation the development process as well as the results, measured at multiple prototypes, are shown. Additionally the significance of a smart inverter is pointed out.

Modern product development is a highly complex process characterized by a pronounced interdisciplinary cooperation. Interdisciplinary cooperation accompanied with firm strategic and integrating concep ts leads to innovation potentials in context of cooperative product engineering. The phrase "Mechatronics" represents exactly these novel methodological concepts in the developing process of innova tive products with highly innovative functionality and structure. The concept Mechatronics has been exemplary proven successfully in high-tech sectors. A glance at the automobile or high speed train technology gives an impressive and pursuing figure of the far reach ing Mechatronics philosophy. SME in general have not enough research and development resources to their disposal in order to comply with the ever increasing market demands. Ways out of this dilemma are strategic alliances on one hand and the education of young "Mechatronicans" at universities on the other hand. ISOM 2002 aims to contribute by inviting SME representatives and students from universities and supplementary instit utions in Saxony. The key words of Mechatronics are sensors and actuators, integrated control strategies, modeling and simulation, effective design, safety and reliability. The symposium focuses on state-of-the-art in Mechatronics, especially regarding to controlled high precision systems and particularly to novel electromechanical driving systems. It will point toward future research directions in these subjects. ISOM 2002 is intended as a forum for those engineers and researchers from universities and industry in and outside Europe who actively participate in the young field of Mechatronics and uphold the old spirit of exchanging theoretical and practical results within the scientific community. / Die moderne industrielle Produktentwicklung ist ein hochkomplexer Prozess, der gekennzeichnet ist durch eine stark ausgeprägte interdisziplinäre Arbeit. Diese Interdisziplinarität gepaart mit fundiert en Strategie- und Integrationskonzepten führt zu erheblichen Innovationspotentialen im kooperativen Produkt-Engineering. Das Kunstwort Mechatronik steht genau für dieses neuartige methodologische Konz ept im Entwicklungsprozess innovativer Produkte mit einem hohen Integrationsgrad von Funktionalität und Struktur. Die Industrie hat in vielen High-Tech-Bereichen das Konzept Mechatronik beispielhaft realisiert. Ein Blick auf die Automobil- und Hochgeschwindigkeitszugtechnik zeigt in eindrucksvoller Weise die Tr agfähigkeit der Mechatronik-Philosophie. KMU verfügen oft nicht über das erforderliche FuE-Personal und die entsprechenden materiellen Ressourcen, um das enorme Entwicklungstempo mitzugehen. Wege zur Überwindung dieser Defizite sind strategi sche Allianzen und eine gezielte Ausbildung von Mechatronikern an Hoch- und Fachschulen. Auch hierzu soll das Symposium einen Beitrag leisten, indem insbesondere Vertreter von KMU und Studenten der ga stgebenden Universität sowie anderer Hochschuleinrichtungen Sachsens eingeladen wurden. Zu den Schlüsselworten in der Mechatronik gehören Sensoren und Aktoren, integrierte Steuerstrategien, Modellierung und Simulation, effektiver Entwurf, Sicherheit und Zuverlässigkeit. Der derzeitige Sta nd der Mechatronikforschung, vor allem mit Blick auf hochgenaue, gesteuerte mechatronische Systeme und insbesondere neuartige integrierte elektromechanische Antriebssysteme, soll im Mittelpunkt dieses Symposiums stehen. Auch zukünftige Forschungsaufgaben für die Grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung in den genannten Themenbereichen sollen aufgezeigt werden. Das Symposium versteht sich als Treffpunkt für diejenigen Forscher und Entwickler, die in Europa an Hochschulen ebenso wie in der Industrie auf diesem Gebiet aktiv sind und sich auf einen Austausch th eoretischer, experimenteller und anwendungsspezifischer Erfahrungen, die bei der wissenschaftlichen Arbeit auf dem noch jungen Gebiet der Mechatronik erlangt wurden, freuen.

Modern product development is a highly complex process characterized by a pronounced interdisciplinary cooperation. Interdisciplinary cooperation accompanied with firm strategic and integrating concep ts leads to innovation potentials in context of cooperative product engineering. The phrase "Mechatronics" represents exactly these novel methodological concepts in the developing process of innova tive products with highly innovative functionality and structure. The concept Mechatronics has been exemplary proven successfully in high-tech sectors. A glance at the automobile or high speed train technology gives an impressive and pursuing figure of the far reach ing Mechatronics philosophy. SME in general have not enough research and development resources to their disposal in order to comply with the ever increasing market demands. Ways out of this dilemma are strategic alliances on one hand and the education of young "Mechatronicans" at universities on the other hand. ISOM 2002 aims to contribute by inviting SME representatives and students from universities and supplementary instit utions in Saxony. The key words of Mechatronics are sensors and actuators, integrated control strategies, modeling and simulation, effective design, safety and reliability. The symposium focuses on state-of-the-art in Mechatronics, especially regarding to controlled high precision systems and particularly to novel electromechanical driving systems. It will point toward future research directions in these subjects. ISOM 2002 is intended as a forum for those engineers and researchers from universities and industry in and outside Europe who actively participate in the young field of Mechatronics and uphold the old spirit of exchanging theoretical and practical results within the scientific community. / Die moderne industrielle Produktentwicklung ist ein hochkomplexer Prozess, der gekennzeichnet ist durch eine stark ausgeprägte interdisziplinäre Arbeit. Diese Interdisziplinarität gepaart mit fundiert en Strategie- und Integrationskonzepten führt zu erheblichen Innovationspotentialen im kooperativen Produkt-Engineering. Das Kunstwort Mechatronik steht genau für dieses neuartige methodologische Konz ept im Entwicklungsprozess innovativer Produkte mit einem hohen Integrationsgrad von Funktionalität und Struktur. Die Industrie hat in vielen High-Tech-Bereichen das Konzept Mechatronik beispielhaft realisiert. Ein Blick auf die Automobil- und Hochgeschwindigkeitszugtechnik zeigt in eindrucksvoller Weise die Tr agfähigkeit der Mechatronik-Philosophie. KMU verfügen oft nicht über das erforderliche FuE-Personal und die entsprechenden materiellen Ressourcen, um das enorme Entwicklungstempo mitzugehen. Wege zur Überwindung dieser Defizite sind strategi sche Allianzen und eine gezielte Ausbildung von Mechatronikern an Hoch- und Fachschulen. Auch hierzu soll das Symposium einen Beitrag leisten, indem insbesondere Vertreter von KMU und Studenten der ga stgebenden Universität sowie anderer Hochschuleinrichtungen Sachsens eingeladen wurden. Zu den Schlüsselworten in der Mechatronik gehören Sensoren und Aktoren, integrierte Steuerstrategien, Modellierung und Simulation, effektiver Entwurf, Sicherheit und Zuverlässigkeit. Der derzeitige Sta nd der Mechatronikforschung, vor allem mit Blick auf hochgenaue, gesteuerte mechatronische Systeme und insbesondere neuartige integrierte elektromechanische Antriebssysteme, soll im Mittelpunkt dieses Symposiums stehen. Auch zukünftige Forschungsaufgaben für die Grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung in den genannten Themenbereichen sollen aufgezeigt werden. Das Symposium versteht sich als Treffpunkt für diejenigen Forscher und Entwickler, die in Europa an Hochschulen ebenso wie in der Industrie auf diesem Gebiet aktiv sind und sich auf einen Austausch th eoretischer, experimenteller und anwendungsspezifischer Erfahrungen, die bei der wissenschaftlichen Arbeit auf dem noch jungen Gebiet der Mechatronik erlangt wurden, freuen.

The need for safety components in safety-related control systems arises in developing basic principles for preventing mechanical accidents and protecting safety for people and machines, especially in the development of automated drive systems for mobile construction machinery. An important parameter when using safety-relevant components respectively safety devices of automation technology-according to E DIN EN ISO 13849-1:2020-08 - in mobile machinery is the Diagnostic Coverage. The Diagnostic Coverage measures the effectiveness of the diagnosis as the ratio of the failure rate of noticed dangerous failures and failure rate of total dangerous failures. Because single- and dual-channel safety circuits from the Safety Related Parts of Control Systems (SRP/CS) might fail or get defective, a known level of Diagnostic Coverage helps to design such systems. As a supplementary method, the paper discusses the possibility of deriving a failure rate from empiric investigations via the context of fault classification known for electrical components from DIN EN 61508.-6:2011-02. Test procedures are not available in the development phase of new machines and new components in the field of mobile machines. Nevertheless, the Diagnostic Coverage is required for the calculation and design process. Similar to this test approach, the fault behaviour of technical products, defined in the FMEA (Failure Mode and Effects Analysis), can be applied to estimate the fault conditions in parallel to the design development as a first step. The target of estimating the diagnostic coverage already in the development phase of safety-relevant hydraulic components and systems can thus be achieved more effectively, and is illustrated in the article employing an example. The Diagnostic Coverage must be determined to classify the entire SRP/CS and each individual component according to ISO 13849 in category 2 and categories 3 & 4. In practice, this means that the calculation must be executed for the respective sensors, the controller and the actuator individually, and the entire functional channel as a whole in the single- or dual-channel safety circuit system. This enables an initial estimate and calculation of the Diagnostic Coverage according to ISO 13849 in the development phase without executing time-consuming prototype tests or test results from the field. This results in time savings and an increase in effectiveness of the internal work processes. Furthermore, the early avoidance of potential systematic risks of product and process failures, allows to reduce the costs of the development phase significantly.