Quantifizierung von Schwingungen in elektrischen Antriebssystemen

Zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit erhält die elektrische Antriebstechnik immer

mehr Einzug in die Bereiche mobiler Arbeitsmaschinen und Fahrzeuge. Um hier die

Antriebstechnik für eine emissionsfreie Zukunft voranzutreiben, untersucht das „Labor

für Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe“ der Technischen Hochschule

Aschaffenburg mechanische Schwingungen in elektrischen Antriebssystemen.

Zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit erhält die elektrische Antriebstechnik immer mehr Einzug in die Bereiche mobiler Arbeitsmaschinen und Fahrzeuge. Um hier die Antriebstechnik für eine emissionsfreie Zukunft voranzutreiben, untersucht das „Labor für Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe“ der Technischen Hochschule Aschaffenburg mechanische Schwingungen in elektrischen Antriebssystemen.

Motivation - Wieso Schwingungen?

In den Bereichen mobiler Maschinen und Fahrzeuge ist die verfügbare elektrische Energie meist durch

die Kapazität der Energiespeicher (bspw. Akkumulatoren) begrenzt. Daher ist es besonders wichtig, dass die geforderten Aufgaben mit der höchstmöglichen Effizienz durchgeführt werden. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, müssen alle möglichen Störgrößen quantifiziert und durch Konstruktionsmaßnahmen

und regelungstechnischen Optimierungen entgegengewirkt werden. Mechanische Schwingungen im Antriebsstrang sind eine dieser Störgrößen. Durch mechanische Schwingungen können Probleme hinsichtlich der Materialfestigkeit (Lebensdauer), Geräuschen, Energieeffizienz und der Qualität der gewünschten Antriebsaufgabe auftreten. Die Ursache dieser Schwingungen muss durch Messungen quantifiziert werden. Hierfür wurde ein Prüfstand entwickelt, mit dem gezielt Torsionsschwingungen innerhalb eines elektrischen Antriebssystems provoziert werden können.

Aufbau des Prüfstands

Der Prüfstand besteht aus zwei baugleichen Asynchronmotoren der Firma Oswald Elektromotoren GmbH, welche durch eine Torsionswelle und elastische Kupplungen mechanisch miteinander verbunden sind. Über Frequenzumrichter können die Motoren unabhängig voneinander gesteuert werden. Einer der Motoren (links im Bild) dient als Arbeitsmaschine und wird drehzahlgeregelt betrieben. Der zweite Motor (rechts im Bild) simuliert unterschiedlichen Belastungen durch einen drehmomentgeregelten Betrieb. Dabei können die Drehzahlen und Lasten hochdynamisch geändert werden.

Durch ungewollte Energiespeicher, wie den verbauten elastischen Kupplungen, welche eigentlich zum Ausgleichen von Stößen und Wellenversätzen eingesetzt werden, erzeugen bei Drehzahl- und/oder Drehmomentänderungen sogenannte Torsionsschwingungen im System. Diese verursachen wiederum

Verluste und Beschädigungen im Antriebsstrang, wie beispielsweise Lagerschäden. Diese können in der realen Anwendung zu einem Ausfall der Anlage oder des Fahrzeugs führen.

Typische Messungen

Neben sämtlichen relevanten Strömen und Spannungen, werden mit Hilfe geeigneter Aufnehmer und Sensoren, welche der TH Aschaffenburg von dem Kooperationspartner HBK (Hottinger Brüel & Kjær, Darmstadt) zur Verfügung gestellt werden, die provozierten Schwingungen im Antriebssystem erfasst. Im Prüfstand sind eine präzise Drehmomentmesswelle, zwei 3-Achs Beschleunigungsaufnehmer und zwei omnidirektionale Mikrofone eingebaut. Eine typische Messung mit der Drehmomentmesswelle

des Prüfstands zeigt, wie die parasitären Energiespeicher im Antriebsstrang in Schwingungen versetzt werden. Durch mehrere Messungen und die Variation verschiedener Bauteile, wie zum Beispiel Torsionswellen und elastische Kupplungen, soll zunächst der jeweilige Einfluss der Bauteile quantifiziert werden. Daraus können im Anschluss konstruktive und regelungstechnische Gegenmaßnahmen abgeleitet und verifiziert werden.

Typische Messung eines Antriebstrang im Prüfstands

Ausblick

Mit Hilfe dieses Prüfstands, welcher mit den Kooperationspartnern des Labors Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebstechnik stetig weiterentwickelt wird, sollen experimentell die Ursachen und die möglichen Auswirkungen der auftretenden Schwingungen geprüft und quantifiziert werden. Mit der nächsten Ausbaustufe des Prüfstands sollen ebenfalls Drehmoment-Schwingungen untersucht werden, deren Ursprung im Design des Elektromotors liegen und durch geeignete Ansteuerung kompensiert werden sollen. Zusammen mit dem Kooperationspartner HBK sollen derartige Drehmoment-Schwingungen (Torque Ripple) untersucht werden. Um die Geräusche in  Straßenfahrzeugen oder in Staplern zu minimieren, sind solche Untersuchungen in elektrischen Traktionsantrieben von besonderer Bedeutung.

Prof. Dr.-Ing. Johannes Teigelkötter und

Maximilian Stumpf, B. Eng.

Technische Hochschule Aschaffenburg

Labor für Leistungselektronik, elektrische Maschinen

und Antriebe

Würzburger Straße 45

64743 Aschaffenburg

06021 4206-839

Johannes.Teigelkoetter@th-ab.de

http://www.ema-ab.de/

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