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5 LAGER UND FÜHRUNGEN

5 LAGER UND FÜHRUNGEN SENSITIVITÄT LAGERSTRÖME SYSTEMANSÄTZE ZUR VERMEIDUNG VON PARASITÄREN STRÖMEN Die Sensitivität von Lagerströmen untersucht ein Forschungsprojekt vom Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik sowie des Instituts für Maschinenkonstruktion und Tribologie an der Universität Hannover. Ziel ist das Erarbeiten einer Simulationsumgebung und Modellierung eines elektrischen Antriebsstranges, um die Entstehungsmechanismen von elektrischen Lagerspannungen und Lagerströmen systematisch zu untersuchen, sodass die beeinflussenden Parameter ermittelt werden können.. Cara Behrendet, Lennart Jünemann, Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik, Volker Schneider, Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie, alle Leibniz Universität Hannover

LAGER UND FÜHRUNGEN In modernen Antriebssystemen werden in steigender Zahl Elektromotoren mit Frequenzumrichter eingesetzt. Durch die hohen Spannungsgradienten, die einen dynamischen Betrieb bei gleichzeitig geringen Schaltverlusten ermöglichen, entstehen elektrische Spannungen an den Lagern der elektrischen Maschine und im angeschlossenen Getriebe, welche zu Stromdurchgängen und somit zu einer Schädigung der beteiligten Maschinenelemente führen kann. Maschinenelemente, die einer unzulässig hohen elektrischen Beanspruchung ausgesetzt werden, können dadurch massiv geschädigt werden, was zu einem Ausfall des betroffenen Bauteils, der Teilkomponente oder der gesamten Anlage führen kann. Bei Maschinenelemente treten als strombedingte Schäden vor allem Grey Frosting (siehe Bild 01), Riffelbildung und eine Schmierstoffveränderung auf. ZUSAMMENFÜHRUNG VON SUBMODELLEN Um diese Schädigung zu verhindern sind unterschiedliche Maßnahmen zur Reduktion oder zur vollständigen Vermeidung von Lagerströmen bekannt. Unter Umständen führt die Vermeidung des Stromdurchgangs an einer Stelle jedoch zu einer Verschlechterung der Zustände an einer anderen Stelle im Getriebe. Daher ist eine systematische Betrachtung der Wechselwirkung im Gesamtsystem zwischen der Leistungselektronik, der elektrischen Maschine und den Maschinenelementen zwingend notwendig, derzeit aber noch nicht verfügbar. Ziel des Forschungsprojektes ist es daher ein Simulationswerkzeug zu entwickeln, das die Vielzahl an Submodellen eines elektrischen Antriebsstrangs zusammenführt und es erlaubt, die Wechselwirkung auf Systemebene im Hochfrequenzbereich abzubilden. Um die Vorausberechnungen im Hochfrequenzbereich zu gewährleisten, müssen parasitäre Effekte ermittelt werden. Um dies im frühen Entwicklungsstadium zu gewährleisten, wird dies zum Beispiel beim Leistungsmodul (Bild 02) auf Basis der Geometrie durchgeführt. Das äquivalente Verfahren wird für die elektrische Maschine verfolgt. Dabei werden parasitäre Effekte wie Stromverdrängung, Feldverdrängung und nicht ideale Erdungspfade nach [Beh1] eingefügt. Weiterhin werden bestehende Wissenslücken auf den Gebieten der Entstehungsmechanismen von elektrischen Lagerspannungen und Lagerströmen systematisch untersucht. Gestützt werden die Überlegungen mit simulativen und experimentellen Untersuchungen. Unternehmen werden damit in die Lage versetzt die technisch und wirtschaftlich günstigsten Maßnahmen zur Verhinderung einer vorzeitigen Schädigung der Maschinenelemente zu ermitteln. Bilder: Leibniz Universität Hannover; corund – stock.adobe.com www.uni-hannover.de Literaturhinweise: [ScSt22] Abschlussbericht FVA 863 I: Stromdurchgang am Wälzlager, FVA Forschungsheft 1501, 2022 [Beh1] C. -N. Behrendt, J. Dittmann, B. Knebusch and B. Ponick, „Common-Mode Impedance Prediction of a High Frequency Hairpin Stator Winding Based on FEM and Modified Nodal Analysis,“ 2022 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), 2022, pp. 20-26. 01 01 Stark Grey Frosting geschädigte Laufbahn eines Rillenkugellagers [ScSt22] 02 Modellierung eines Leistungsmoduls zur Extraktion der parasitären Effekte 03 Hochfrequentes Modell eines Einzelleiters einer Phase [Beh1] 02 03 www.antriebstechnik.de antriebstechnik Marktübersicht 2023 33