Entwicklung eines Simulationsmodells zur Untersuchung von Schwingungen in großen Asynchronmaschinen

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Softwareentwicklung zur rotordynamischen Analyse überkritisch betriebener Asynchronmotoren

Bei der Entwicklung von Asynchronmotoren sind rotordynamische Berechnungen ein wichtiger Bestandteil der Maschinenauslegung. Die Lage der aus den Eigenfrequenzen resultierenden kritischen Drehzahlen zu der Betriebsdrehzahl ist entscheidend für die dauerhafte Betriebsfähigkeit einer Maschine. Ist der Abstand zwischen kritischer Drehzahl und Betriebsdrehzahl zu gering, kann die Maschine durch starke Resonanzüberhöhungen direkt zerstört werden oder durch resultierende, starke Wechselbelastungen in ihrer Lebensdauer herabgesetzt werden. Da große Asynchronmotoren oft überkritisch (also oberhalb der ersten kritischen Drehzahl) betrieben werden müssen, kann es beim Anfahren und Auslaufen der Maschine zu resonanzbedingten Schwingungsüberhöhungen kommen. Diese gilt es rechnerisch zu erfassen um zu große Schwingungsausschläge im Vorhinein durch konstruktive Maßnahmen zu vermeiden.


Zielsetzung des Simulationsprogramms

Durch ein auf das Problemfeld großer Asynchronmotoren angepasstes Simulationsprogramm kann der zeitliche Aufwand für die nötigen rotordynamischen Berechnungen stark reduziert werden. Dabei kann mit Hilfe des anwendungsspezifischen Simulationsprogramms neben den kritischen Drehzahlen auch das Verhalten des Rotors bei der Resonanzdurchfahrt sowohl qualitativ als auch quantitativ abgeschätzt werden können. Durch einen modularen Aufbau ist das Programm gut erweiterbar und dadurch an neue Fragestellungen anpassbar. Die Berechnungssoftware wird dabei in der Matlab Umgebung implementiert, es wird die, zur nume¬risch¬en Lösung technischer Probleme weit verbreitete, Finite Elemente Methode (FEM) verwendet.

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Abb.1: Berücksichtigte rotordynamische Einflüsse


Besondere Randbedingungen bei Asynchronmotoren

Bei der Analyse von Asynchronmotoren gibt es verschiedene Randbedingungen, die je nach Frage-stellung berücksichtigt werden müssen. In Abb. 1 findet sich eine Übersicht über die aktuell und zukünftig im Programm berücksichtigten Randbedingungen und Einflüsse.

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Abb. 2: Entwickelte GUI für die Matlabanwendung


Entwickelte Matlab-GUI

Die Modellierung geschieht in einem, auf das Problem zugeschnittenen, Graphical User Interface (GUI) (siehe Abbildung 2). Der Rotor des Motors wird durch Balkenelemente abgebildet, wobei der Benutzer die Wahl zwischen Bernoulli-Balken und Timoshenko-Balken auswählen kann. Bei der Wahl der Lagerung kann man sowohl eine idealisierte starre Lagerung, als auch eine linear elastische Lagerung, oder eine hydrodynamische Gleitlagerung berücksichtigen.

Über den gesamten Läufer können verteilte Unwuchten mit einem beliebigen Winkel angebracht werden. So können verschiedene Unwuchtszenarien simuliert und beurteilt werden. Die in Asyn-chron¬motoren auftretenden einseitigen magnetischen Zugkräfte können durch Feder¬elemente mit negativer Steifigkeit im Bereich des Läuferblechpakets berücksichtigt werden. Gehäuse und Fundament werden in Zukunft durch diskrete Feder-Dämpfer- und Massenmodelle abgebildet.

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Abb. 3: Beispielhafter Verschiebungs-Zeitverlauf eines Punktes auf der Welle


Postprozessing

Neben der Unterstützung bei der Modellierung bietet die GUI auch Möglichkeiten zur systematischen Auswertung von Simulationsergebnissen. So können neben Verschiebungs-Zeitverläufen (siehe Abb. 3) auch der gesamte Rotor während des Betriebs animiert werden.

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Abb. 4: Ergebnisdarstellung der Eigenfrequenzanalyse Teil 1

Die Ergebnisse von Eigenfrequenzanalysen können in unterschiedlicher Form dargestellt werden. Einerseits können die berechneten Frequenzen (respektive kritische Drehzahlen) in Tabellenform dargestellt werden, andererseits können die einzelnen Eigenformen auch am 3D-Modell betrachtet werden (Siehe Abb. 4).

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Abb. 5: Ergebnisdarstellung der Eigenfrequenzanalyse Teil 2

Zusätzlich können durch die Berücksichtigung verschiedener Drehzahlen auch Kreiseleffekten bei der Eigenfrequenzanalyse berücksichtigt werden. Hier können die Ergebnisse ebenfalls in Tabellenform, aber auch in einem Campbell-Diagramm dargestellt werden (Siehe Abb. 5).

 

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RWTH Aachen

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