Reduzierung von Vibrationen und Pendelmomenten in permanenterregten Synchronmaschinen mit harmonischen Strömen

Das Ziel der, engl. ”Harmonic Current Injection” (HCI), ist es, Geräuschen und Vibrationen, die von elektrischen Maschinen ausgehen, entgegenzuwirken. Ohne die elektrische Maschine konstruktiv zu verändern, kann durch ihre Ansteuerung das Geräuschverhalten positiv beeinflusst werden. HCI kann eingesetzt werden, um vorgegebene Geräuschgrenzen einzuhalten, wenn eine bestehende elektrische Maschine lauter ist als vorausberechnet. Berücksichtigt man HCI schon während der Auslegung, werden die Randbedingungen der Optimierung reduziert. Dadurch wird der mögliche Lösungsraum erweitert. ... mehrInfolgedessen können zum Beispiel günstigere elektrische Maschinen gebaut werden.

In dieser Arbeit werden die Wirkmechanismen aufgezeigt, die zu magnetischen Geräuschen in elektrischen Maschinen führen. Die Zusammenhänge zwischen elektrischen und mechanischen Größen werden zunächst analytisch beschrieben. Dieser Ansatz ist geeignet, um den Einfluss von harmonischen Strömen auf die Kraftanregungen zu untersuchen. Aufbauend auf den physikalischen Eigenschaften erfolgt eine modellhafte Beschreibung. Damit dieses Modell eine hohe Genauigkeit erreicht, wird es durch Berechnungen mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) parametrisiert. Anschließend wird eine Methode entwickelt, die einerseits harmonische Ströme zur Dämpfung von Geräuschen und Vibrationen einsetzt und andererseits gleichzeitig weitere Ziele optimieren kann. Diese sekundären Ziele können unter anderem der notwendige Strombedarf, Spannungsbedarf oder die Drehmomentwelligkeit sein.

Zur Validierung dieser Methode wird ein Prüfling auf dem Motorenprüfstand charakterisiert und ein Betriebspunkt ermittelt, in welchem der Prüfling akustisch besonders auffällig ist. Die neu entwickelte HCI-Methode wird daraufhin an diesem Betriebspunkt angewendet und die Optimierung der sekundären Ziele untersucht.

The objective of Harmonic Current Injection (HCI) is to counteract noise and vibration originating from electrical machines. Without changing the design of the electrical machine, its control can positively influence the noise behavior. HCI can be used to operate within predefined noise limits if an existing electrical machine is noisier than predicted. If HCI is well-performed, it can be taken into account in the design of an electrical machine to reduce the design and optimization constraints. As a result, cost-efficient electric machines can be built, for example.

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In this dissertation, the mechanisms leading to magnetic noise in electrical machines are shown. The relationship between electrical and mechanical quantities is first described analytically. This approach is suitable for investigating the influence of harmonic currents on the force excitations. Based on the physical properties, a model description is given. In order for this model to achieve high accuracy, it is parameterized by calculations using Finite element Analysis. Subsequently, a method is developed which, on the one hand, uses harmonic currents to attenuate noise and vibrations and, on the other hand, can simultaneously optimize other objectives. These secondary objectives can be, among others, the necessary current demand, voltage demand or torque ripple.

To validate this method, a device under test is characterized on the test bench and an operating point is determined in which it is particularly noticeable acoustically. The newly developed HCI method is then applied to this operating point and the optimization of the secondary objectives is investigated.