Einflussgrößen und Vorhersagbarkeit der elektromagnetischen Störaussendung von Gleichstrommotoren

Influencing Parameters and Predictability of electromagnetic emissions of DC-motors

  • Die Arbeit befasst sich mit den Möglichkeiten und Grenzen der Voraussage der leitungsgebundenen Störaussendung von DC-Motoren. Die passive Netzwerkmodellierung von Motoren wurde in Vorarbeiten beschrieben und ist weit fortgeschritten, so dass Motormodelle automatisiert aus Konstruktionsdaten erstellt werden können. Die mit Hilfe dieser Modelle berechneten Störpegel zeigen jedoch immer wieder Abweichungen gegenüber Messungen. Die Ursachen hierfür werden in dieser Arbeit untersucht. Zunächst wird gezeigt, dass die Störpegel der Prüflinge bei den Messungen stark schwanken, was eine statistische Absicherung erfordert. Es wird ein Verfahren vorgestellt, das basierend auf Messungen nach der Norm CDie Arbeit befasst sich mit den Möglichkeiten und Grenzen der Voraussage der leitungsgebundenen Störaussendung von DC-Motoren. Die passive Netzwerkmodellierung von Motoren wurde in Vorarbeiten beschrieben und ist weit fortgeschritten, so dass Motormodelle automatisiert aus Konstruktionsdaten erstellt werden können. Die mit Hilfe dieser Modelle berechneten Störpegel zeigen jedoch immer wieder Abweichungen gegenüber Messungen. Die Ursachen hierfür werden in dieser Arbeit untersucht. Zunächst wird gezeigt, dass die Störpegel der Prüflinge bei den Messungen stark schwanken, was eine statistische Absicherung erfordert. Es wird ein Verfahren vorgestellt, das basierend auf Messungen nach der Norm CISPR25 die zuverlässige Erfassung der Bewertungsgröße Störspannung ermöglicht und das Erkennen von Trends durch Veränderungen im Prüfling während der Messung erlaubt. An Prüfständen und Mustern von Motoren werden dann die Einflussparameter auf die Höhe der Störpegel untersucht. Wesentliche Erkenntnis ist, dass sich der Störpegel bei unverändertem Aufbau in der Form über der Frequenz nicht ändert, lediglich die absoluten Spannungswerte verändern sich. Allerdings können sich Motoren im Betrieb durch das Verschleißteil Kohlebürste verändern. Diese ändert während des Betriebs ihre elektrisch wirksame Breite und verursacht Veränderungen der Störaussendung. Es wird ein Messverfahren vorgestellt, mit dem diese elektrisch wirksame Bürstenbreite im Betrieb exakt bestimmt werden kann. Da sich die Form des Störpegels bei veränderten Betriebsbedingungen und unverändertem Aufbau nicht ändert, liegt der Schluss nahe, dass sie durch die von den parasitären Elementen des Motors verursachte Übertragungsfunktion bestimmt wird. Durch Kleinsignalmessung lässt sich zeigen, dass ein deutlicher qualitativer Zusammenhang zwischen Störpegel und der Übertragungsfunktion zwischen dem Ort der Störentstehung im Motor und dem Messempfängereingang besteht. Diese Übertragungsfunktionen müssen dann auch in der Netzwerksimulation abgebildet werden. Hierbei zeigt sich, dass der Störpegel in guter Übereinstimmung berechnet werden kann. Es ergeben sich durch die Änderung der Bürstenbreite allerdings verschiedene Kontaktierungsfälle, die zu deutlich unterschiedlichen Übertragungsfunktionen und damit unterschiedlichen Störpegeln führen. Dies konnte durch eine gleichzeitige Messung von Störpegel und Bürstenbreite nachgewiesen werden. Für die Voraussage des Störpegels durch Netzwerksimulation muss daher der im Motor tatsächlich auftretende Kontaktierungsfall vorab bekannt sein. Diese Zusammenhänge erlauben das Verständnis der in den Vorarbeiten beobachteten Abweichungen. Das beschriebene Vorgehen und die hierfür notwendigen Messverfahren erlauben eine gezielte Entwicklung von Motoren unter Berücksichtigung der elektromagnetischen Störaussendung.show moreshow less
  • This thesis describes the prediction of conducted interference emissions of brushed DC motors and its posibilitities and limits. The modelling of motors using passive network models has already proceeded to an advanced status due to former scientific work. Relatively accurate models can be generated automatically out of construction parameters of the machine. If noise levels are calculated using these models a gap between simulation result and measurement still occurs. The basic causes of these inaccuracies are investigated in this thesis. First a scattering of the noise voltage within wide ranges is shown, therefore a statistical approach is obligatory. A measurement technique based on the This thesis describes the prediction of conducted interference emissions of brushed DC motors and its posibilitities and limits. The modelling of motors using passive network models has already proceeded to an advanced status due to former scientific work. Relatively accurate models can be generated automatically out of construction parameters of the machine. If noise levels are calculated using these models a gap between simulation result and measurement still occurs. The basic causes of these inaccuracies are investigated in this thesis. First a scattering of the noise voltage within wide ranges is shown, therefore a statistical approach is obligatory. A measurement technique based on the international standard CISPR25 is presented. It allows an accurate measurement of the voltage level and enables the identification of possible trends caused by changes inside the device under test. Major influencing parameters are investigated using test benches and motor samples. The most significant result is the fact that the shape of the voltage spectrum over frequency does not change as long as the test setup is left unchanged. Only the absolute values are shifted. However the motor is not time-invariant due to abrasive wear. The electrical conductive width of a brush changes during operation causing the voltage level to deviate significantly. A new method for accurate brush width measurement, wich is applicable under operating conditions is presented. Due to the invariance of the voltage spectrum's shape it can be claimed that the shape of the noise voltage is formed by the transfer function between the switching edge of the brush and the input port of the test receiver. The transfer function can be derived from a small signal analysis method. A strong correlation to the noise spectrum is shown so the claim is justified to be true. Therefore the transfer function must be calculated using network simulation in order to predict the noise voltage. A good compliance between simulation result and measurement is observed. However different brush widths cause different transfer functions which result in different noise voltages. This is proved by a simultaneous measurement of brush width and noise voltage. In order to perform a proper simulation the brush width of a motor under test needs to be known in advance. The mismatch between simulation result and measurement known from previous works is now explicable due to these results. The described approach and the presented measurement techniques permit a well-directed development of DC-motors with respect to their electromagnetic emissions.show moreshow less

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Metadaten
Author:Christian Spratler
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-39378
Advisor:Robert Weigel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/12/07
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2012/11/28
Release Date:2012/12/07
Tag:CISPR25; DC-Motor; EMV; Simulation; bürstenbehafteter DC-Motor
CISPR25; DC-motor; EMC; brushed dc-motor; simulation
SWD-Keyword:Zugriff auf Schlagwortnormdatei funktioniert nicht!
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

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