Rotordynamische Analyse von Asynchronmaschinen mit magnetischen Unsymmetrien

Die steigende Forderung der Industrie sowohl nach Laufruhe elektrischer Maschinen, die in Normen oder Spezifikationen beschrieben wird, als auch nach schnell laufenden Antrieben erfordert bei der Auslegung der Maschinen sowohl den Einsatz geeigneter Berechnungsverfahren als auch differenzierter Berechnungsmethodiken. Ein immer wichtiger werdender Bestandteil der Maschinenauslegung stellt daher die Rotordynamikberechnung dar, die das Rotorschwingungsverhalten in elektrischen Maschinen aufgrund von Unwuchten und magnetischen Kräften beschreibt. Aufgabenstellung dieser Arbeit ist, basierend auf der Beschreibung der physikalischen Zusammenhänge zwischen Unwuchten, magnetische Kräften und den Orbitbewegungen des Rotors bei Rotorschwingungen, eine praktikable, praxisorientierte Berechnungsmethode zur Rotordynamikauslegung für Asynchronmaschinen unter Berücksichtung von magnetischen Unsymmetrien zu erarbeiten. In der Arbeit wird aufgezeigt, dass es notwendig ist zwischen einer statischen und einer dynamischen Exzentrizität zu unterscheiden. Eine statische Exzentrizität erzeugt hierbei andere Luftspaltoberfelder (Exzentrizitätsfelder) als eine dynamische Exzentrizität. Des Weiteren ist von Bedeutung, welche Orbitbewegung eine dynamische Exzentrizität ausführt. Es wird gezeigt, dass neben der Orbitform auch die Orbitumlaufrichtung und die Orbitumlauffrequenz Einfluss auf die Exzentrizitätsfelder nehmen. Wie aus vielen Literaturstellen bekannt ist, wird der magnetische Zug zwischen Rotor und Stator durch eine magnetische Feder nachgebildet, die eine negative Federrate besitzt. Jedoch wird hierbei meist nur eine gleichlaufende kreisförmige Orbitbewegung des Rotors vorausgesetzt. In dieser Arbeit wird eine Erweiterung auf andere Orbitbewegungen durchgeführt, und es werden Gültigkeitsgrenzen bezüglich der Abbildung der magnetischen Reaktionen durch eine magnetische Feder abgeleitet. Neben der analytischen Berechnung des einseitigen magnetischen Zuges und der magnetischen Federkonstanten, wird auch der Einsatz der numerischen Methode der 2-dimensionalen Finiten Elemente (FE) anhand des Programms FEMAG für die Bestimmung der magnetischen Federkonstanten aufgezeigt. Um die Gültigkeitsgrenzen für die Abbildung des einseitigen magnetischen Zuges durch eine magnetische Feder zu ermitteln, wird anhand von vereinfachten Rotordynamikmodellen die Orbitbewegung des Rotors ermittelt. Hierbei werden unterschiedliche Lagerungsarten (Wälzlagerung, Gleitlagerung und Magnetlagerung) zugrunde gelegt. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird der Einsatz der Finiten-Element-Methode anhand des Programms MADYN zur Rotordynamiksimulation von Käfigläufer-Asynchronmaschinen beschrieben. Neben der Berechnung von Rotoreigenschwingungen und Rotorstabilitätsgrenzdrehzahlen werden auch erzwungene Schwingungen berechnet. Anhand von zwei ausgeführten Asynchronkäfigläufermotoren werden die Rotordynamikanalysen durchgeführt. Bei der Berechnung der erzwungenen Schwingungen wird ein einseitiger Läuferaktivteilversatz simuliert, der in die einzelnen Anregungsarten zerlegt wird. Hierdurch kann der Einfluss einer jeden Anregungsart auf die Rotorschwingung bestimmt werden und somit eine schwingungsarme Rotorkonstruktion realisiert werden.