Luftspaltkräfte im Elektromotor
FVA 968 I | IGF-Nr. 01|F22529 N
Verifizierung der simulierten Luftspaltkräfte im Elektromotor anhand von geeigneten Messungen
Zur Bestimmung des mechanischen Verhaltens einer elektrischen Maschine werden üblicherweise Simulationen der Strukturdynamik durchgeführt, die als Eingangsgröße die elektromagnetischen Kräfte erhalten, die im Luftspalt zwischen Rotor und Stator der Maschine wirken. Aufgrund der Resonanzstellen im Übertragungsverhalten des mechanischen Gesamtsystems der elektrischen Maschine zwischen Kraft und Bewegung ist der Einfluss einer geringfügigen Abweichung der Kraftamplitude und -frequenz signifikant, da sich die Sensitivität hochgradig nichtlinear im Frequenzbereich ändert. Die präzise Kraftberechnung stellt demnach die Grundlage einer fundierten Prognose der Schwingformen und kritischen Frequenzen der Maschine dar. Im Üblichen werden die Kräfte über die elektromagnetische Simulation berechnet, deren korrekte Parameter ausschlaggebend sind.
Der Fokus des Forschungsvorhabens ist die Verifikation der in elektromagnetischen Simulationen ermittelten Luftspaltkräfte einer permanent erregten Synchronmaschine mittels geeigneter Messungen. Anhand der Messungen wird die Qualität der Simulationsergebnisse der elektromagnetischen Modelle untersucht werden und liefert Anhaltspunkte, welche Effekte in der Simulation berücksichtigt werden müssen, um deren Ergebnisgüte zu erhöhen. Als Messmethode kommen Messspulen auf flexiblen Leiterplatten zum Einsatz, die in den Luftspalt eingeführt werden. Durch die Entwicklung von Messspulen, deren Fläche nur in einer der Raumrichtungen (radial, tangential, axial) aufgespannt ist, lassen sich die magnetischen Flüsse und Flussdichten im Luftspalt ermitteln. Anhand der Flussdichte im Luftspalt können damit genau wie in der Simulation über den Maxwell’schen Spannungstensor die dazugehörigen Luftspaltkräfte berechnet werden. Eine zeitsynchrone und dreidimensionale Messung der Flussdichte am gesamten Luftspaltumfang ermöglicht die räumlich und zeitlich aufgelöste Erfassung der Luftspaltkräfte und ist damit die Voraussetzung für einen fundierten Vergleich mit den elektromagnetischen Simulationsergebnissen. Im Projekt sind Designs von Leiterplatten entstanden, mit denen die radiale Kraft mit hoher und die tangentiale Kraft mit mittlerer Güte rekonstruiert werden können. Für die axiale Flussdichte wurden mehrere Designs implementiert und getestet, deren Güte noch nicht ausreichend für eine Anpassung der Simulationsergebnisse ist.
Die während des Forschungsvorhabens gewonnenen Erkenntnisse zur Auslegung und Anwendung von Messspulen sind in Form von Skalierungsvorschriften für den zukünftigen Einsatz in der Industrie zugänglich gemacht. So wird den Unternehmen die Möglichkeit gegeben, eigene elektromagnetische Simulationsmodelle zu verifizieren und zu verbessern.
Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 01|F22529 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit den Mitteln der IGF gefördert.
