Geräuschanalyse mittels einer geeigneten Anregefunktion

Auswahl geeigneter Testfunktionen für die Geräuschanalyse von Elektromotoren

In vielen Fällen ist eine zusätzliche Geräuschanalyse zur Bestimmung des Geräuschverhaltens eines Elektromotors notwendig. Unter der Voraussetzung, dass der Test ohne zusätzliche externe Last durchgeführt werden soll, ist die Wahl der Testfunktion von entscheidender Bedeutung.

Die Testfunktion muss so gewählt werden, dass alle Kräfte, die Geräusche erzeugen, mittels eines Geräuschaufnehmers analysiert werden können. Die am häufigsten auftretenden Quellen von Geräuschen sind dabei: Wälzlager, Kommutator und elektrische Kräfte.

Anhand von DC-Motoren der Automobilindustrie wird gezeigt, dass durch die Einführung einer dynamischen Last Montagefehler, welche zu untragbaren Geräuschen für den Kunden führen, unter Testbedingungen erkannt und qualifiziert werden können. Es wird demonstriert, dass die Signifikanz der erkennbaren Fehler in einem starken Maße von der gewählten Testfunktion abhängt. Quasi-periodische und pseudo-statistische Testfunktionen werden untersucht und Richtlinien für ihren Gebrauch gegeben. Zusätzlich wird erläutert, wie eine Geräuschanalyse mittels einer geeigneten Anregefunktion gleichzeitig mit der Parameter-Schätzung durchgeführt werden kann, so dass sich die Testzeit verringert.

Klassifikation in der akustischen Abnahmediagnostik

Die akustischen Gebrauchseigenschaften einer Maschine oder eines Maschinenelements sind am Ende des Fertigungsprozesses einer Prüfung zu unterziehen, da sie aufgrund von stochastischen Streuungen der Fertigungstoleranzen Schwankungen unterliegen.

Für die Durchführung der akustischen Abnahmediagnostik ergeben sich zwei prinzipielle Probleme:

  1. Umgebungsbedingung
    Die akustischen Eigenschaften eines Gebrauchsgegenstands werden im allgemeinen über Luftschallgrenzwerte definiert. Die Messung von Luftschall während der laufenden Produktion ist aber nur unter immensem Aufwand (Luftschallisolation) möglich, der oft in keinem Verhältnis zu den Kosten des hergestellten Produkts steht.
  2. Funktionaler Zusammenhang Luftschall-Körperschall
    Die Übertragung der Luftschallgrenzwerte des Produkts in entsprechende Körperschallgrenzwerte ist funktional nicht möglich, so dass die Körperschallgrenzwerte experimentell aus den Luftschallgrenzwerten ermittelt werden müssen. Das Problem kann mit Hilfe von Lernverfahren gelöst werden. Die Lernalgorithmen benutzen entweder eine vorgegebene Klassifikation der Prüflinge oder eine vorgegebene Merkmalsauswahl für eine Strukturanalyse der Prüflingsdaten und können nach erfolgreicher Lernphase zur Entscheidungsfindung eingesetzt werden.

Generatorische Messung

Elektrische Maschinen, die erregt und von außen angetrieben werden, induzieren eine Spannung, die an den Anschlussleitungen der Maschine gemessen werden kann. Die induzierte Spannung ist dabei proportional zur Drehzahl und zur Erregung. Der Verlauf der induzierten Spannung gibt Auskunft über die Wickelungen und die Ausprägung der Erregung über dem Umfang.

Die Messung der induzierten Spannung stellt eine einfache Methode zur Diagnose des  elektromagnetischen Verhaltens des Prüflings da. Im Folgenden werden an einer in einem permanenten Magnetfeld bewegten Leiterschleife die Gesetzmäßigkeiten hergeleitet.

Massenträgheitssimulation bei Elektromotoren

Bei Systemen mit mehreren Komponenten ist es bei der Motorauslegung nicht nur wichtig den Motor bezüglich seinem Temperaturverhalten, seiner Nenndrehzahl und seinem Nennmoment hin auszulegen, sondern gerade im Bereich der Systemdynamik genau zu untersuchen. Dies ist sinnvoll, wenn das genaue Gesamtsystemverhalten bei Lastsprüngen oder beim An- und Auslaufen des Motors interessant ist, z.B. im Bereich der Reglerauslegung und der Auswahl der einzelnen Systemkomponenten.

Die Trägheit des Gesamtsystems eines Antriebsstrangs setzt sich aus der Summe der Trägheiten der einzelnen Komponenten des Systems zusammen, die im einfachsten Fall aus dem Elektromotor und der Last bestehen.

Massenträgheitsmoment
Der Drehimpuls berechnet sich aus der Masse und deren Anordnung im Körper und wächst proportional mit der Winkelgeschwindigkeit. Ändert sich der Drehimpulsinhalt in einem Körper, wird er mit einem anderen Körper ausgetauscht. Das Drehimpulsfassungsvermögen nennt sich Massenträgheitsmoment und ist eine Größe für die Menge an gespeichertem Drehimpuls in einem Körper.

Rastmomentmessung

In elektrisch rotierenden Maschinen treten elektrisch und magnetisch erregte Oberwellen auf, die zu einer Drehmomentwelligkeit führen. Die magnetischen Oberschwingungen resultieren aus dem konstruktiven nicht homogenen Aufbau (Nutung) des Motors.

Mit dem Begriff Reluktanz wird der magnetische Widerstand beschrieben. Treten in einer Maschine in Umfangsrichtung unterschiedliche magnetische Widerstände auf, so entstehen Reluktanzmomente. Diese sind in unterschiedlichen magnetischen Widerstände im Rotor oder im Stator zu unterteilen. Im Stator werden sie auf die Nutschlitze zurückgeführt und heißen Rastmomente.

Bei permanenterregten Maschinen entspricht die Anzahl der Pole im Rotor multipliziert mit der Anzahl der Stränge im Stator die bevorzugten stabilen Lagen, in die sich der Rotor bewegt. Die Größe der Rastmomente wird durch den konstruktiven Aufbau wesentlich beeinflusst. Bei kleinen Rastmomenten sind die Ströme zum Losbrechen der permanentmagneterregten Maschine aus dem Stillstand geringer. Die Rastmomente überlagern sich während der Drehung des Rotors mit dem erzeugten Luftspaltmoment und tragen nicht zur Drehmomentbildung bei.

Elektromotorprüfung: Kennlinienaufnahme

Im Bereich der Entwicklung neuer Antriebssysteme und Elektromotoren und im Bereich der Qualitätssicherung ist das schnelle und effiziente Prüfen und archivieren der Messdaten für ein erfolgreiches Produkt unabdingbar. Zur grundlegenden Charakterisierung der Prüflinge wird in der Regel die Kennlinie bzw. einzelne Punkte der Kennlinie (Arbeits- oder Nennpunkte) herangezogen.

Die Kennlinie wird dabei in der Regel quasistatisch aufgezeichnet, d.h. der Prüfling wird kontinuierlich gebremst oder entlastet. Eine andere Vorgehensweise ist das statische Anfahren einzelner Lastpunkte. An diesen Punkten wird dann der Einschwingvorgang abgewartet und dann die Werte statisch gemessen. Die zweite Methode ist zeitaufwendiger und führt zu einer größeren Erwärmung des Prüflings, was zwangsläufig eine Verfälschung der Messwerte nach sich zieht.

S-Betriebsarten nach DIN VDE 0530

Um die Auslegung von Motoren zu vereinfachen wurden Nennbetriebsarten definiert. Hierbei wird z.B. der Dauerbetrieb durch die Betriebsart S1 beschrieben. Die Motorlieferanten geben für die unterschiedlichen Betriebsarten Auslegungskennlinien an. Anhand der Kennlinien ist dann eine Motorauswahl möglich.

Erwärmungsläufe für die thermische Motorauslegung von Elektromotoren nach VDE 0530
Bei der Motorauslegung ist darauf zu achten, dass die maximal zulässige Motortemperatur nicht überschritten wird. In der Praxis ist jedoch der anwendungsspezifische Temperaturverlauf nicht bekannt und erschwert die richtige Motorauswahl. Das wirtschaftliche Auslegen von Antrieben ist gerade in der aktuellen Energiespardebatte von herausragender Bedeutung, da bei einer Vielzahl von heute verbauten Antrieben eine falsche Dimensionierung vorliegt bzw. eine andere Dimensionierung unter energetisch günstigeren Bedingungen möglich ist.

Unter Betrieb versteht man die Festlegung der Belastung für die Maschine einschließlich ihrer zeitlichen Dauer und Reihenfolge sowie gegebenenfalls einschließlich Anlauf, elektrisches Bremsen, Leerlauf und Pausen.

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