Schwingungsanalysen unter ganzheitlicher Berücksichtigung elektromagnetischer Lasten

Abstract

Der Klimawandel zwingt weite Bereiche der Industrie und Forschung, vorhandene Konzepte zu überarbeiten und Technologien einzusetzen, die weniger Treibhausgase, wie Kohlenstoffioxid, während des Lebenszyklus ausstoßen. Aus diesen Veränderungen resultiert Forschungsbedarf, um die neuen Herausforderungen bestmöglich zu lösen und so Wettbewerbsvorteile gegenüber Mitbewerbern zu generieren. Aus den genannten Gründen gewinnen Elektrofahrzeuge zunehmend an Bedeutung und verdrängen die derzeitig dominierenden Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor zunehmend. Durch die Verwendung elektrischer Motoren ist ein neuer Anregungsmechanismus im Antriebsstrang des Fahrzeugs vorhanden, der sich unter anderem durch seine Akustik deutlich vom bisher verwendeten Verbrennungsmotor unterscheidet. Die vorliegende Arbeit untersucht die Wechselwirkung elektromagnetischer Felder und den daraus resultierenden Lasten mit den Schwingungen des mechanischen Systems, wie dem Motorgehäuse oder dem Antriebsstrang, am Beispiel eines elektrischen Bootsmotors. Diese Wechselwirkungen werden beispielsweise durch translatorische Relativbewegungen zwischen Rotor und Stator hervorgerufen, welche die elektromagnetischen Felder und damit auch Lasten verändern und so das Schwingungsverhalten und die Relativbewegung selbst beeinflussen. Dazu wird ein ganzheitlicher Simulationsansatz umgesetzt, indem ein Programm für Mehrkörpersimulationen, um elektrodynamische Lasten erweitert wird. Die Verwendung von Mehrkörperanalysen erlaubt eine Schwingungsanalyse bei allgemeiner räumlicher Bewegung. Die Erweiterung verwendet die Finite Elemente Methode, um die elektromagnetischen Felder in Abhängigkeit der aktuellen Zustandsgrößen zu ermitteln und daraus die Lasten abzuleiten. Auf diese Weise werden die Interaktionen des mechanischen und elektrischen Systems berücksichtigt. Die Kenntnis dieser Größen ermöglicht die Durchführung nachgelagerter Untersuchungen. Beispielhaft wird die Akustik des untersuchten Motors unter Berücksichtigung der ermittelten elektromagnetischen Lasten bei verschiedenen Außengeometrien bestimmt und daraus resultierend ein verbesserter Prototyp entwickelt. Durch die ganzheitliche Betrachtung von elektrischem und mechanischem System wird eine bessere Prediktionsgüte umgesetzt, wodurch sich der experimentelle Aufwand verringert und weniger Prototypen, welche mit erheblichen Kosten verbunden sind, notwendig sind.