Rotordynamik elektrischer Maschinen

Hintergrund

Elektrische Maschinen als elektromechanische Energiewandler sind in fast allen Bereichen der Technik unersetzlich. Von Kleinst- und Stellmotoren in Modellen, oder Fahrzeugen, bis zum Turbogenerator in Kernkraftwerken existieren sie in allen Größenordnungen. Während Elektromotoren speziell auch in der Fahrzeug- technik zunehmend an Bedeutung gewinnen, stellen beispielsweise Generatoren einen unumgänglichen Bestandteil der weltweiten Energieproduktion dar.

Die Forschung am Fachgebiet Technische Dynamik konzentriert sich auf mechanische Schwingungsphänomene in elektrischen Maschinen unter Berücksichtigung der multiphysikalischen Rückkopplung. Ziel ist es, aufbauend auf bisherigen Forschungsergebnissen, einen einheitlichen analytischen Ansatz zur Berechnung der Kräfte und Drehmomente zwischen Stator und Rotor der Maschinen bereitzustellen und zu verbessern. Mit diesem kann dann die Rotordynamik unterschiedlicher Maschinen analysiert werden. Dabei liegt der Fokus sowohl auf stationären Betriebszuständen, wobei die Stabilität des Rotors und eventuelle Bifurkationen im Lösungsverhalten untersucht werden, aber auch auf instationären Prozessen, wie z.B. dem fahren durch die Resonanz und dem damit verbundenen Sommerfeldeffekt.

Methodik

Für die nichtlineare rotordynamische Analyse elektrischer Maschinen ist eine qualitative analytische Beschreibung der Kräfte und Drehmomente, die durch das Magnetfeld zwischen Stator- und Rotor entstehen, erforderlich. Speziell ihre Gültigkeitsgrenzen und Validität stellt einen aktuellen Forschungsaspekt am Fachgebiet dar. So sollen bestehende Modelle überprüft und verbessert werden. Neue Aspekte der Modellierung betreffen hier den Sättigungseinfluss und die Kopplung zwischen elektrischem- und mechanischem Teilsystem.

Die Validierung findet dabei sowohl numerisch, als auch anhand eines Modellprüfstands (siehe Experiment), statt.

Auf Basis der gewonnen Erkenntnisse werden dann systematische rotordynamische Analysen durchgeführt und ebenfalls experimentell validiert. So soll ein tieferes qualitatives Verständnis möglicher Schwingungsprobleme entstehen, mit dem die Zuverlässigkeit und NVH-Aspekte der Maschinen verbessert werden können.

Experiment

Ein modularer Modellprüfstand zur Abbildung unterschiedlicher Maschinentypen im Labor des Fachgebiets ist derzeit in Planung. Ziel ist es, sowohl die reinen elektromechanischen Kräfte und Drehmomente messen zu können, als auch durch sie entstehende Schwingungs- phänomene zu quantifizieren.

Veröffentlichungen

1. F. Boy, H. Hetzler. An Asymptotic Approximation of the Magnetic Field and Forces in Electrical Machines with Rotor Eccentricity. Electrical Engingeering, 2017: online version.
http://link.springer.com/article/10.1007/s00202-017-0512-8

2. F. Boy, H. Hetzler. The effect of field damping on rotordynamics of non-salient pole generators. Technische Mechanik, 2017: in publication.

3. F. Boy, H. Hetzler. Zur nichtlinearen elektromechanischen Interaktion in der Rotordynamik elektrischer Maschinen, 140. Norddeutsches Mechanikkoloquium, 01.07.2017.

4. F. Boy, H. Hetzler. Nonlinear electromechanical interactions in rotordynamics of electrical machines, 9th European Nonlinear Dynamics Conference, 2017: in publication.

5. F. Boy, H.Hetzler. On the electromechanical coupling in rotordynamics of electrical machines, Proc. Appl. Math. Mech., 17, 2017: in publication.

6. F. Boy, H. Hetzler. On the rotordynamic stability of two-pole synchronous electric machinery considering different load cases. Proc. Appl. Math. Mech., 16, 2016: S. 265–266.
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pamm.201610121/full

7. F. Boy, H. Hetzler, Ph. Schäfer. On the rotordynamic stability of synchronous electric machinery considering different load cases and operating conditions. Proc. ISMA 2016, 2016: S. 837 – 849.
https://www.isma-isaac.be/isma_conf/objectives.html

8. F. Boy, H. Hetzler. Rotordynamics of Two-Pole Turbo Generators with Refined Modelling of the Unbalanced Magnetic Pull. Proc. Appl. Math. Mech., 15, 2015: S. 243 – 244.
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pamm.201510112/full

 

Ansprechpartner

M.Sc. Felix Boy, Raum 2514, boy@uni-kassel.de