Simulation und Messung von Eigenfrequenzen und des Schwingungsverhaltens elektrischer Traktionsantriebe

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden schwingungstechnische Untersuchungen an einem vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. entwickelten Elektromotor eines Zugkonzepts durchgeführt. Vor allem für den Fahrgastkomfort und das Verschleißverhalten ist es von Bedeutung, dass während des Betriebs keine kritischen und zu Resonanz führenden Eigenfrequenzen des Antriebsaufbaus angeregt werden. Der Fokus der Arbeit lag hierbei auf den entstehenden Schwingungen am Motor selbst. Mithilfe verschiedener Messaufbauten wurden bestimmte Schwingungscharakteristika wie Unwuchtanregung, harmonische Oberschwingungen und Magnetkraftanregung messtechnisch analysiert. Daneben fand ein Ergebnisvergleich der verwendeten Messtechniken (piezoelektrische Beschleunigungsmessung, Laser-Doppler-Vibrometrie und Laser-Triangulation) statt, um die Vorteile der verschiedenen Messprinzipien ausnutzen und die Messergebnisse untereinander validieren zu können. Zusätzlich wurde der Elektromotor und seine Komponenten numerisch mithilfe der im SoftwareProgramm Ansys implementierten Finite-Elemente-Methode (FEM) untersucht. Anwendung fanden hierbei die numerische, teils vorgespannte Modalanalyse, um Eigenfrequenzen rechnerisch zu ermitteln, sowie die harmonische Analyse, um insbesondere das Schwingungsverhalten bei Magnetkraftanregung zu simulieren. Bei Letzterem wurde das mechanische Physikmodell aus Ansys Mechanical mit dem elektromagnetischen Modell aus Ansys Maxwell gekoppelt. Im Hinblick auf eine zukünftige, fundierte numerische Auslegung bezüglich des Schwingungsverhaltens einer Konstruktion schon während der Entwicklungsphase wurde ein Vergleich zwischen den messtechnischen und numerischen Ergebnissen gezogen.