Dynamik kompakter Kurzschlussläufer - Experimentelle Analyse, Modellbildung und Parameteridentifikation

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-77323
  • Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Abgleich des modalen Verhaltens zwischen Messung und Rechnung bei Kupfer-Kurzschlussläufern von Asynchronmotoren. Dazu werden umfangreiche Reihenuntersuchungen an vier Bauformen und insgesamt etwa 45 Exemplaren der Läufer durchgeführt. Die Versuche umfassen experimentelle Modalanalysen der frei hängenden Prüflinge. Die Anregung erfolgt mittels Hammerschlag, die Strukturreaktionen werden mit wanderndem Aufnehmer erfasst. Dieser Versuchsaufbau wurde vorab verifiziert und weist ein stabiles Verhalten auf. Die ermittelten Eigenfrequenzen und Eigenformen der Prüflinge werden reproduzierbar ermittelt und ergeben ein einheitliches BildDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Abgleich des modalen Verhaltens zwischen Messung und Rechnung bei Kupfer-Kurzschlussläufern von Asynchronmotoren. Dazu werden umfangreiche Reihenuntersuchungen an vier Bauformen und insgesamt etwa 45 Exemplaren der Läufer durchgeführt. Die Versuche umfassen experimentelle Modalanalysen der frei hängenden Prüflinge. Die Anregung erfolgt mittels Hammerschlag, die Strukturreaktionen werden mit wanderndem Aufnehmer erfasst. Dieser Versuchsaufbau wurde vorab verifiziert und weist ein stabiles Verhalten auf. Die ermittelten Eigenfrequenzen und Eigenformen der Prüflinge werden reproduzierbar ermittelt und ergeben ein einheitliches Bild mit geringen Exemplarstreuungen innerhalb einer Bauform bei neu gefertigten und im Betrieb befindlichen Läufern. Mit geometrisch identischen FE-Modellen werden die Eigenfrequenzen und Eigenformen auch rechnerisch bestimmt. Zur Anpassung der Ergebnisse an die Versuchsergebnisse stehen diverse Material- und Kontaktparameter des Modells zur Verfügung. Großen Einfluss haben die Modellierung der Verbindung zwischen Stäben und Blechpaket und die orthotropen Steifigkeitseigenschaften des Blechpakets. Für eine Quantifizierung des Einflusses der einzelnen Parameter und dem Finden von Abhängigkeiten werden Sensitivitätsanalysen durchgeführt. Die Ergebnisse werden in ein Metamodell überführt und stellen die Grundlage für eine Parameteroptimierung dar. Das Metamodell beinhaltet eine mathematische Beschreibung der in der Sensitivitätsanalyse gefundenen Zusammenhänge. Die Berechnung von Designs innerhalb des untersuchten Parameterraums ist dadurch mit sehr geringen Rechenzeiten möglich. Für die Optimierung der Eingangsparameter kommen evolutionäre Algorithmen mit mehreren Tausend Designs zur Anwendung. Sind Randbedingungen und Wertebereiche für Sensitivitätsanalyse und Optimierung sinnvoll gewählt, werden Parametersätze für die Simulationsmodelle ermittelt, bei denen die Abweichungen zwischen rechnerischen und experimentellen Ergebnissen sehr gering sind. Damit liegt erstmals ein Prozess vor, mit dem es möglich ist, das dynamische Verhalten von Läufern über experimentelle und rechnerische Verfahren vollständig zu beschreiben. Die gefundenen Modellierungsvorschriften können auch auf andere Bauformen angewandt werden oder, bei Vorlage neuer Versuchsergebnisse, darauf angepasst werden. Zur weiteren Untersuchung des Verhaltens des realen Systems werden mit einem Läufer Prüfstandversuche unter Temperatur und unter erhöhten Anregungsamplituden - aufgebracht mittels elektrodynamischem Shaker - durchgeführt. Für die Shakeranregung wird, in Zusammenarbeit mit dem Prüflabor, eine neue Art von Versuchsaufbau entwickelt und erfolgreich umgesetzt. So ist es möglich, den Läufer an verschiedenen Positionen in einem weiten Frequenz- und Amplitudenbereich anzuregen. Abgerundet wird die Arbeit durch eine rechnerische Nachbetrachtung der durchgeführten Prüfstandversuche. Die für die vorliegenden Aufgabenstellungen entwickelten Simulationsmodelle haben dadurch ihre Eignung hinsichtlich aller geforderten Berechnungsdisziplinen und Ergebnisse unter Beweis gestellt.show moreshow less
  • Main topic of the thesis is a comparison of tested and calculated modal behavior of squirrel cage rotors of induction motors. For that, an investigation of four different types and a total of 45 rotors have been planned and carried out. The rotors are freely hanging and tested by experimental modal analyses. Excitation is done by hammer impact, response is measured by a moving acceleration sensor. This setup has been tested and verified and it can be shown, that it is a stable process. Results of the tests are natural frequencies and mode shapes of the rotors. They show a repeatable behavior of the modal behavior and small deviations of results within types of new-manufactured rotors.Main topic of the thesis is a comparison of tested and calculated modal behavior of squirrel cage rotors of induction motors. For that, an investigation of four different types and a total of 45 rotors have been planned and carried out. The rotors are freely hanging and tested by experimental modal analyses. Excitation is done by hammer impact, response is measured by a moving acceleration sensor. This setup has been tested and verified and it can be shown, that it is a stable process. Results of the tests are natural frequencies and mode shapes of the rotors. They show a repeatable behavior of the modal behavior and small deviations of results within types of new-manufactured rotors. Also, the deviation within a type of rotor, which is in service, is acceptable. By using the same geometry, natural frequencies and mode shapes are also calculated by finite-element-analyses. The results of the FE-models can be adjusted by several material and contact parameters. It can be seen, that the coupling between copper bars and lamination has a major influence on the modal behavior of the system. Apart from that, the lamination itself is defined as an orthotropic material with different stiffness properties in axial direction. The influence of all possible input parameters can be found out by sensitivity analyses. Their results are converted into a metamodel. This describes the results of the sensitivity analysis in a mathematically easier way. The calculation times for such a mathematically easy model are even lower than for an FE-model. So, the metamodel can be used for testing new designs. This is done during the parameter optimization process. Some thousand design points are tested by an evolutionary algorithm. This aims to reduce differences between measured and calculated results. With meaningful boundary conditions for sensitivity analysis and optimization process, results fit very well. It is the first time, that the modal behavior of the squirrel cage rotors can be described by tests and by FE-calculations in a closed-loop. The found design rules for tests and FE-models can be used for similar rotors and systems, too. For getting additional results, tests at special test benches are planned and carried out. This includes investigations about the system behavior under higher temperatures and higher excitation loads. The tests with higher excitation loads are done on a shaker test bench. The test setup was planned completely new and could be approved by test results. So it is possible to vary the excitation within location and a wide load and frequency range. Finally, the test conditions where simulated for additional approve of the developed FEmodel. It can be shown, that simulated and measured results fit very well for shaker tests, too. Therefore, the simulation model is able to satisfy the requested quality of results for modal and dynamic calculations.show moreshow less

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Metadaten
Author:Johannes Großhauser
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-77323
Series (Volume number):Schriftenreihe Technische Mechanik (22)
Referee:Kai Willner
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2016
Date of online publication (Embargo Date):2016/07/21
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2016/07/21
Release Date:2016/10/20
SWD-Keyword:Strukturdynamik; Finite-Element-Methode; Experimentelle Modalanalyse; Parameteroptimierung; Sensitivitätsanalyse
Institutes:Technische Fakultät
Technische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Technische Mechanik (LTM)
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 3.0
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