Sensitivität Lagerströme

Systemansätze zur Vermeidung von parasitären Strömen – Sensitivität Lagerströme

Der drehzahlvariable Betrieb einer elektrischen Maschine mittels schnellschaltender Wechselrichter bringt nicht nur eine hohe Dynamik und geringe Schaltverluste, sondern auch unerwünschte parasitäre Effekte mit sich. In Folge steiler Spannungsgradienten und hoher Schaltfrequenzen wird eine Common-Mode-Spannung in die Statorwicklung einer elektrischen Maschine eingeprägt. Durch die parasitären kapazitiven und induktiven Kopplungen der elektrischen Maschine können durch die Common-Mode-Spannung zirkulare Lagerströme, Rotorerdströme oder EDM-Lagerströme im Motor und Getriebe des Antriebssystems auftreten und dort die Lager und den Zahnradeingriff beschädigen.

Diese hochfrequenten Lagerströme werden durch die Komponenten des Antriebssystems, bestehend aus dem elektrischen Motor, dem Wechselrichter, der Anschlusstechnik, den Maschinenelementen und dem Getriebe, beeinflusst. Daher war es zentraler Bestandteil dieses Projekts, ein Simulationsmodell zu entwickeln, welches den Antriebsstrang mit all diesen Komponenten und seinen Wechselwirkungen berücksichtigt und eine Risikoabschätzung der elektrischen Lagerbelastung des Antriebs ohne vorherige aufwendige Messungen ermöglicht. Dabei lag der Fokus auf der Erstellung einzelner Simulationsmodelle je Komponente sowie der Zusammenführung zu einem gesamten Simulationsmodell. Die jeweiligen Modelle basieren auf Open-Source Anwendungen, um möglichst vielen Unternehmen eine selbständige Implementierung ohne hohe Lizenzkosten zu ermöglichen.

Zusätzlich zum Modellierungsansatz der elektrischen Maschine und Leistungselektronik wurde ein mechanisches Kontakt- und Simulationsmodell entwickelt, das die elektrischen Eigenschaften von Maschinenelementen wie Lagern und Zahnrädern einbezieht. Hierbei wurden Modelle für die Berechnung der elektrischen Eigenschaften entwickelt. Die Ergebnisse des elektromechanischen Modells ermöglichen eine Vorausbestimmung von Strompfaden und deren Auswirkungen auf die Bauteile, was eine fundierte Einschätzung der elektrischen Belastung erlaubt.

Eine abschließende Sensitivitätsanalyse des Systems zeigte wichtige Stellgrößen auf. Weiterhin ist es möglich mittels zugänglichen Daten eine qualitative Abschätzung der Lagerströme im eigenen Antrieb durchzuführen sowie den Effekt verschiedener Abhilfemaßnahmen im System zu testen.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 01|F22079 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 gefördert.