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Verbesserung der Schwingungsvorhersage für große elektrische Antriebe
Jungiewicz, Artur
In dieser Arbeit wurde eine kritische Betrachtung der Übereinstimmung des realen und simulierten Schwingungsverhaltens von elektrischen Antrieben durchgeführt. Die Untersuchung begann mit einer Studie der verfügbaren Methoden zur Messung und Berechnung von Eigenfrequenzen und Eigenformen. Dabei wurde auf der Basis einfacher Experimente die Zuverlässigkeit der experimentellen und numerischen Methoden geprüft. Das Ergebnis dieser Untersuchung ist eine Reihe von Empfehlungen bezüglich der Durchführung der Messungen und Simulationen. Eingeführt wurde die Methode der Modellanpassung, die ein einfaches Werkzeug zur Reduktion der Abweichungen zwischen Berechnung und Realität sein kann. Diese Methode wurde besonders hinsichtlich der physikalischen Bedeutung der Anpassung für die Reproduzierbarkeit der Berechnungsergebnisse von angepassten FE-Modellen untersucht.
Ein separates Kapitel wurde dem Thema Dämpfung gewidmet. Zuerst wurden mathematische Modelle zur Beschreibung von drei relevanten Dämpfungsmechanismen vorgestellt, um sie anschließend hinsichtlich deren Anwendbarkeit bei der FE-Berechnung von Resonanzamplituden zu bewerten. Zusätzlich wurden Methoden vorgestellt, mit deren Hilfe die für die FE-Berechnung benötigten Dämpfungswerte experimentell ermittelt werden können.
Alle bis dahin vorgestellten Verfahren wurden zu einem Arbeitsprozess dargelegt. An einem Beispiel wurde die komplette Vorgehensweise vorgestellt, die nötig ist, um ein FE-Modell zu erzeugen, dessen berechnete Eigenfrequenzen und Moden möglichst gut mit den Eigenfrequenzen und Moden eines realen Objektes übereinstimmen.
Im weiteren Verlauf der Arbeit kommen die bereits gewonnenen Erkenntnisse zur Erstellung von FE-Modellen zweier Komponenten von elektrischen Antrieben zur Anwendung. Es handelte sich dabei um die Grundrahmen und die eisenfertigen Ständer. Die experimentell ermittelten Schwingungseigenschaften dienten auch als Vorlage zur Einführung von Verbesserungsmaßnahmen sowie zur Ermittlung von Fehlertoleranzen, die bei der Schwingungsvorhersage berücksichtigt werden müssen. Für beide Bauteile wurden spezielle Maßnahmen eingeführt, um die Güte der rechnerischen Vorhersage zu verbessern.
Für die Grundrahmen wurden die Einflüsse der versteifenden Wirkung der Schweißverbindungen und den damit verbundenen Eigenspannungen untersucht. Während der Einfluss der thermischen Eigenspannungen vernachlässigt werden konnte, wurde für die geschweißten Stöße ein Ersatzmodell definiert, um die Berechnung der Eigenfrequenzen zu verbessern.
Bei der Modellierung der eisenfertigen Ständer wurde die Methode der Modellanpassung eingesetzt, um mit Hilfe von deren mathematischen Anpassungsalgorithmen die Parameter des orthotropen Werkstoffmodells für die Blechpakete zu ermitteln. Die als Vergleichsbasis herangezogenen Messergebnisse zeigten, dass trotz vieler technologischer Eigenschaften der Blechpakte, die für eine Streuung der gemessenen Schwingungseigenschaften bei baugleichen Ständern verantwortlich sein konnten, eine hohe Reproduzierbarkeit der gemessenen Eigenfrequenzen zur erwarten ist.
Die ermittelten Dämpfungswerte für das Grundrahmen und das Blechpaket führen zunächst zur niedrigen Reproduzierbarkeit der Berechnungsergebnisse im Vergleich zu den gemessenen Werten. Verlangt sind damit weitere Untersuchungen bezüglich der konstruktiven Einflussgrößen und der Messmethodik.
This work presents a comparison between the real and simulated vibratory behavior of large electric motors. The investigation begins with a study of the state-of-the-art methods for measuring and calculation of natural frequencies and mode shapes of structures. Using simple experiments, precision and reliability of the results of experimental and numerical methods were estimated. The study resulted in a range of recommendations, regarding the high quality estimation of vibratory behavior for both experimental and numerical methods. In addition to that investigation, the model updating was introduced, as a method to reduce the error between the reality and calculation. This method was thoroughly tested, regarding reproducibility of the calculation results of updated numerical models.
In another chapter prevalent mathematical models of damping were presented and compared. Also the usability of those different modeling approaches was discussed, regarding their application in the numerical simulation. Methods for experimental damping estimation were also presented.
All methods and tools presented so far in the thesis were consolidated into a workflow. Using another practical example it was shown, which steps and methods are necessary in order to obtain a high quality numerical model, providing natural frequencies and modes that precisely describe the real behavior in the simulated structure.
In the following chapters the presented workflow was applied to numerical modelling of two crucial components of an electric motor. Those two components are a welded base frame and stators’ laminated stack. The experimentally estimated natural frequencies and mode shapes serve as a base for the improvement of the numerical modeling and the estimation of error tolerances, which are existent in real structures and limit the compliance of a numerical prediction. Special features were introduced for modelling of both components, in order to improve the quality of the numerical models.
The influence of the welded joints and thermal residual stresses was investigated for the base frames. The residual stresses turned out having an irrelevant influence, but the welded joints required an estimation of a proper modelling method. This method was being developed and its influence proven, based on a comparison between real and calculated natural frequencies and mode shapes.
Modelling of the stators’ laminated stack required an application of the model updating in order to estimate the parameters of the orthotropic material model. The experimental data used for the updating showed also, that in spite of a great number of technological influences, which are inherent to laminated stacks, the scatter in the measured vibratory parameters for stators is very low.
Damping parameters and modeling methods studied in the course of numerical modelling of the base frame and laminated stack still show a potential for improvement.
