Auswirkung von fertigungsbedingten Exzentrizitäten in elektrischen Maschinen auf akustische und elektrische Größen

Abstract

Fertigungsbedingte Exzentrizitäten in elektrischen Maschinen wirken sich nachteilig auf die Produktqualität des E-Antriebs aus, insbesondere auf Geräuschentwicklung, Performance und Lebensdauer. Das gilt sowohl für kleinere BLDC Hilfsantriebe und Nebenaggregate am 12 V Bordnetz, wie auch für den Hauptfahrantrieb am Hochvoltnetz in Elektrofahrzeugen. Man ist bestrebt, im Rahmen von End-of-Line-Tests herkömmliche Prüfprozeduren abzulösen, die sich ausschließlich auf vibro-akustische Parameter stützen, denn diese verlangen aufwendige und störungsfreie Prüfumgebungen. Elektrische Größen hingegen sind als Indikatoren robust, sie sind unabhängig vom Prüfumfeld, und werden im Rahmen der Leistungsprüfung häufig ohnehin ermittelt. Das Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es, die Auswirkungen einer stufenlos einstellbaren, statischen Rotorexzentrizität an einem 2-poligen 3-Phasen-Demonstrator- Motor (BLDC-Motor) mittels elektrischer Größen fassbar zu machen und mit den herkömmlichen vibroakustischen Methoden abzugleichen. Zunächst wurden zur theoretischen Betrachtung eine Systemsimulation aus Regelungsmodell, Stromrichtermodell und elektromagnetischem Finite-Elemente-Modell des BLDC-Motors in Dreieckschaltung aufgebaut und die theoretische Auswirkung einer statischen Rotorexzentrizität auf die Messgrößen Strom und Spannung bestimmt. Dieser Ansatz weicht wesentlich vom Stand der Technik ab, in dem mit idealisierten Strömen gerechnet wird. Der experimentelle Abgleich erfolgte an einem eigens ausgelegten und gefertigten Motorprüfling. Neben den drei Phasenströmen und dem Rotorwinkel wurden auch Beschleunigung, Schalldruck und Drehzahl erfasst. Als Analysen wurden zunächst Clarke- und Park-Transformation der Phasenströme herangezogen. Anschließend wurden arbeitsspielbezogene Orbit-Plots sowie Ordnungsspektren von akustischen und elektrischen Größen ausgewertet. Am Beispielmotor konnte theoretisch und experimentell ermittelt werden, wie sich eine statische Exzentrizität auf die entstehenden Signale des Zuleiter- und Phasenstroms auswirkt und wie diese mit Blick auf einen EOL-Test messtechnisch bestimmt werden muss.