Experimentelle und numerische Identifikation eines homogenisierten Materialmodells für Blechpakete elektrischer Maschinen

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  • Elektromotoren sind Bestandteil vieler Maschinen, wobei in dieser Arbeit der Fokus auf großen Industriemaschinen liegt. Um weniger Material zu verbrauchen, wird das Gehäuse dieser Motoren zunehmend reduziert. Ein Bauteil des Stators und des Rotors eines Elektromotors ist das Blechpaket. Die Hauptaufgabe des Blechpakets besteht darin, den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen. Blechpakete bestehen aus gestapelten und paketierten Blechen, in welche eine Kupferdrahtwicklung oder ein Kupfer- oder Aluminiumkäfig eingebracht ist. Die Bleche sind zur elektrischen Isolation mit einer Lackschicht versehen. Es wird deutlich, dass sich das Paketverhalten aus dem Materialverhalten der einzelnen BauteileElektromotoren sind Bestandteil vieler Maschinen, wobei in dieser Arbeit der Fokus auf großen Industriemaschinen liegt. Um weniger Material zu verbrauchen, wird das Gehäuse dieser Motoren zunehmend reduziert. Ein Bauteil des Stators und des Rotors eines Elektromotors ist das Blechpaket. Die Hauptaufgabe des Blechpakets besteht darin, den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen. Blechpakete bestehen aus gestapelten und paketierten Blechen, in welche eine Kupferdrahtwicklung oder ein Kupfer- oder Aluminiumkäfig eingebracht ist. Die Bleche sind zur elektrischen Isolation mit einer Lackschicht versehen. Es wird deutlich, dass sich das Paketverhalten aus dem Materialverhalten der einzelnen Bauteile sowie den Kontakten zwischen den Bauteilen ergibt. Auf Grund der Reduktion des Gehäuses steigt der Einfluss des mechanischen Paketverhaltens auf das Verhalten des gesamten Motors und sollte daher bekannt sein. In dieser Arbeit werden die Kontakte zwischen den Blechen untersucht, da deren Steifigkeitsverhalten starken Einfluss auf das Verhalten des gesamten Pakets hat. Das Kontaktverhalten wird sowohl von den Kontaktpartnern als auch von der Oberflächenrauheit bestimmt. In Experimenten wird das Kontaktverhalten in normaler und in tangentialer Richtung bestimmt. Dabei wird auch ein Kriechen in Normalrichtung ermittelt, dass vor allem von der Lackschicht auf den Blechen herrührt. Das identifizierte Kontaktverhalten kann mit einer Kombination verschiedener Modelle simuliert werden. In dieser Arbeit werden für den Normalkontakt das elastische Bush-Gibson-Thomas-Modell und das plastische Bowden-Tabor-Modell mit einem Modell von Rust für die Kriechgeschwindigkeit kombiniert. Für den Tangentialkontakt wird das Modell von Olofsson mit dem für den Normalkontakt zugrunde liegenden Gesetz leicht modifiziert. Mit diesen Kontaktmodellen ist es möglich, das mechanische Verhalten eines Blechpakets mittels einer Modellierung der einzelnen Bleche und der Kontaktebenen mit der FE-Methode zu berechnen. Dieses Vorgehen ist auf Grund der vielen Kontaktzonen numerisch sehr aufwendig, so dass zur Vereinfachung ein Ersatzmaterialmodell für den gesamten Stapel identifiziert wird. Dazu wird ein für den Blechstapel repräsentatives Volumenelement ausgewählt und es werden unter Nutzung der Methode der Homogenisierung numerische Experimente durchgeführt. Hierbei werden unterschiedliche Deformationszustände an das repräsentative Volumenelement angelegt und die entsprechenden Spannungszustände berechnet. Auf Basis der so ermittelten Spannung-Dehnung-Zusammenhänge wird ein Materialmodell identifiziert, welches das Verhalten des gesamten Pakets wiedergibt. Wegen der Nichtlinearität der Kontaktsteifigkeiten ist auch dieses Ersatzmaterialmodell nicht linear. Das Materialmodell kann beispielsweise dazu verwendet werden den Paketiervorgang des Blechstapels abzubilden, ohne die Bleche explizit modellieren zu müssen. Für dynamische Berechnungen, wie die Modalanalyse, ist ein lineares System erforderlich. Dazu kann im Arbeitspunkt eine Linearisierung des Ersatzmodells erfolgen. Der Arbeitspunkt ergibt sich aus dem Paketierdruck, der nach der Relaxation verbleibt. Sowohl für den Paketiervorgang als auch für die Modalanalyse werden Beispielrechnungen gezeigt.show moreshow less
  • Electric motors are part of various industrial machines. The main issue of this thesis is the consideration of large industrial electric motors. To reduce material costs and weight, the motor frames become smaller and light weighted. An electric motor consists of a stator and a rotor which both contain lamination stacks. As the motor frame is reduced the mechanical behavior of the lamination stack becomes more relevant for the behavior of the motors, through the behavior of the stack is relatively unknown. The lamination stacks are an assembly of metal sheets, which have a coreplate varnish to provide mutual electrical insulation. The main task of the stacks is to increase the motorsElectric motors are part of various industrial machines. The main issue of this thesis is the consideration of large industrial electric motors. To reduce material costs and weight, the motor frames become smaller and light weighted. An electric motor consists of a stator and a rotor which both contain lamination stacks. As the motor frame is reduced the mechanical behavior of the lamination stack becomes more relevant for the behavior of the motors, through the behavior of the stack is relatively unknown. The lamination stacks are an assembly of metal sheets, which have a coreplate varnish to provide mutual electrical insulation. The main task of the stacks is to increase the motors efficiency. They consist of stacked and packaged sheets containing windings of copper wire or cages of copper or aluminium. The mechanical behavior of the stack depends on both the material of the components and the contact interactions within the stack. The aim of this thesis is to identify the contact behavior between the sheets as their stiffness behavior has a major influence on the behavior of the whole lamination stack. The geometry and the material of the contact partners as well as the surface roughness are relevant for the contact behavior. To identify this behavior experiments for the normal and the tangential direction are performed. Creeping processes in normal direction occur caused by the varnish of the sheets. The experimentally determined contact behavior is simulated with different models. For the normal direction the elastic Bush-Gibson-Thomas model and the plastic Bowden-Tabor model are combined. The creeping process is simulated with Rust’s model for the creep rate. A modified Olofsson model simulates the behavior in tangential direction. The modification refers to the model for normal contact which the Olofsson model is based on. A FE-calculation considering a resolution of the contact zones is possible but numerically very expensive. Therefore a two scale approach is chosen which is based on the use of a representative volume element. With the aid of this representative volume element numerical experiments are performed and via homogenization techniques based on these experiments an effective phenomenological constitutive law is derived. Due to the nonlinearity of the contact stiffness the constitutive material model is also nonlinear. One of the material model’s application is for example the simulation of the packaging process of the lamination stack without necessarily simulating the single sheets. A further benefit of the model is that dynamical calculation like modal analysis are possible. Therefor the model has to be linearized at the working point. Thereby, the working point is a result of the packaging process and the relaxation. In this thesis calculations for both the packaging process and the modal analysis are presented.show moreshow less

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Metadaten
Author:Vera Luchscheider
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-77111
Series (Volume number):Schriftenreihe Technische Mechanik (19)
Referee:Kai Willner, Walter Sextro
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2016
Date of online publication (Embargo Date):2016/10/08
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2015/11/16
Release Date:2016/10/17
Tag:Elektromotor, Blechpaket, Normalkontakt, Tangentialkontakt, Homogenisierung, Ersatzmaterialmodell
electric motor, lamination stack, contact in normal direction, contact in tangential direction, homogenization, material model
SWD-Keyword:Finite-Elemente-Methode, Kontaktmechanik, Homogenisierung, Rauigkeit, Reibung
Length/size:138
Institutes:Technische Fakultät
Technische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Technische Mechanik (LTM)
CCS-Classification:J. Computer Applications / J.2 PHYSICAL SCIENCES AND ENGINEERING / Engineering
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
MSC-Classification:74-XX MECHANICS OF DEFORMABLE SOLIDS / 74-05 Experimental work
PACS-Classification:40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 46.00.00 Continuum mechanics of solids (see also 83.10.Ff in rheology; 91.60.Ba Elasticity, fracture, and flow; 91.45.Ga Dynamics and mechanics of tectonics; 91.55.Ln Kinematics of crustal and mantle deformation in geophysics) / 46.55.+d Tribology and mechanical contacts (see also 81.40.Pq Friction, lubrication and wear in materials science; 62.20.Qp Friction, tribology and hardness in mechanical properties of solids)
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