Magnetische Geräusche

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1 Manetische Geäusche Inhalt Kaftwikunen in elektischen Maschinen Entstehunsmechanismus von Maneteäuschen Voausbeechnun von Maneteäuschen Dehwellen des Luftsaltfelds Wichtiste Geäuschaneunen Zulässie Genzen Analyse und Vemeidun von Maneteäuschen Ponick

2 Kaftwikunen im Manetfeld Kaftwikunen in elektischen Maschinen Zwei Aten von Kaftwikunen im Manetfeld: Käfte auf stomduchflossene Leite (Loentzkäfte) Maxwellsche Genzflächenkäfte Käfte auf stomduchflossene Leite: F I ds B Käfte auf Leite in ut: Meist venachlässiba, da uten fast feldfei Käfte auf Leite im Wicklunskof: Bei Stomstößen elevant Maxwellsche Genzflächenkäfte: b x, t adial auf Zähne = f. eäuschaneend x, t axial auf Stinseiten = axial zentieend tanential auf Zahnflanken = dehmomentbildend t x t x t x t, a, b, Ponick

3 Ponick 3 Bei adialem Feldvelauf und Fe» eifen an den Blechaketen von Stände und Läufe adial eichtete mechanische Zusannunen an, die sich fü veschiedene Schwinunsodnunszahlen wie echts daestellt übe den Umfan veteilen: Odnunszahlen: = Aneunsfequenzen: f = / ( ) Aneun von Radialschwinunen... cos cos... cos 4 cos 4, cos ˆ...,,,,, t x B B t x B B t x B t x B t x t f x t x b t x b t x b t x b t x Entstehunsmechanismus von Maneteäuschen

4 Usachen stake manetische Geäusche Entstehunsmechanismus von Maneteäuschen 4 Bedinunen:. Aneunsfequenz im Höbeeich 3 Hz bis 5 Hz. Ehebliche Schwinunsamlitude aufund von beenzte Steifikeit und hohe Kaftamlitude Beteiliun des Hautfelds eine Kaftamlitude, abe Resonanznähe eine de Eienfomen wid in ihe Eienfequenz aneet - Geäuschemissionen duch einen Innenläufe sind i. All. venachlässiba. - Aneunen de Odnunszahl = fühen zu Auflaeeaktionen (Rüttelkäfte) - Fü hohe Odnunzahlen ist das Ständejoch hineichend steif Ponick

5 Voausbeechnun manetische Geäusche: Voehensweise Voausbeechnun manetische Geäusche Die Voausbeechnun manetische Geäusche eschieht in vie Schitten:. Voausbeechnun des Manetfelds im Luftsalt. Beechnun de adialen (f. auch de tanentialen) Maxwellschen Genzflächensannun am Stände (ode Außenläufe) 3. Emittlun de Vefomunen am Außenmantel des Ständes (ode Außenläufes) 4. Beechnun des abestahlten Luftschalls Ponick

6 Beechnun des Manetfelds im Luftsalt Voausbeechnun manetische Geäusche Otion a) umeische Feldbeechnun + Einfache Beücksichtiun von ichtlineaitäten wie Sättiun, Stomvedänun ode Pemanentmaneten + Exakte achbildun de Geometie + Einfache Beücksichtiun tanentiale Feldanteile im Luftsalt Hohe Bedaf an Rechenzeit Zu Tennun von Hamonischen mit leiche Polaazahl, abe unteschiedliche Fequenz i. All. lanwieies Zeitschittvefahen efodelich Keine Mölichkeit zu Emittlun de Usache fü stöende Effekte Otion b) Analytische Beechnun auf Basis de Dehfeldtheoie + Seh eine Bedaf an Rechenzeit + Einfache Beücksichtiun von Stomobeschwinunen + Stöende Effekte lassen sich einfach bis zu ihe Entstehun zuückvefolen Unbefiediende Beücksichtiun de Sättiun u fü Radialkomonente de Induktion Ponick

7 Beechnun de Maxwellschen Genzflächensannunen Voausbeechnun manetische Geäusche Otion a) Auswetun des Maxwellschen Sannunstensos an de Bohunsfläche mittels numeische Feldbeechnun + Einfache Methode, sofen im FEM-Poamm voesehen + Tanentiale Kaftkomonenten weden mit efasst, auch an de utwand umeische Pobleme duch Unstetikeit de Feldößen an den Elementenzen Keine Mölichkeit zu Emittlun de Usache fü stöende Effekte Otion b) Beechnun de omalkomonente de Genzflächensannun fü viele Stützstellen am Umfan und viele Stützstellen de Zeit + Keine Summation von Dehwellen efodelich Keine Mölichkeit zu Emittlun de Usache fü stöende Effekte Otion c) Beechnun de omalkomonente de Genzflächensannun aus den Dehwellen des Luftsaltfelds + Stöende Effekte lassen sich einfach bis zu ihe Entstehun zuückvefolen Oft Summation übe oße Zahl von Dehwellen efodelich Ponick

8 Beechnun de Vefomunen des Ständeaußenmantels Voausbeechnun manetische Geäusche Otion a) Stuktumechanische FEM-Beechnun + Einfache Beücksichtiun eometische Details Seh hohe Rechenzeit, da Zeitschittechnun efodelich Keine Mölichkeit zu Emittlun de Usache fü stöende Effekte Otion b) utzun stak veeinfachte analytische Modellvostellunen + Seh kuze Rechenzeit + Stöende Effekte lassen sich einfach bis zu ihe Entstehun zuückvefolen u obe Abschätzun de Eienfequenzen und Eienfomen mölich Summation eine oßen Zahl von Feldwellen efodelich Otion c) Analytische Beechnun unte Vewendun numeisch emittelte Modalwetmatix + Seh kuze Rechenzeit totz einfache Beücksichtiun eometische Details + Stöende Effekte lassen sich einfach bis zu ihe Entstehun zuückvefolen + Ähnliche Genauikeit wie stuktumechanische FEM-Beechnun Stuktumechanisches FEM-Modell efodelich Ponick

9 Beechnun des abestahlten Luftschalls Voausbeechnun manetische Geäusche Otion a) umeische FEM-Beechnun +Einfache Beücksichtiun eometische Details +Hohe Genauikeit Extem hohe Rechenzeit Extem oße numeische Modelle och keine Zeitschittechnun mölich Otion b) Stak veeinfachte analytische Modellvostellun (Kuelstahle) +Seh kuze Rechenzeit Geine Genauikeit, die abe duch die loaithmischen hysikalischen Zusammenhäne emildet wid Ponick

10 Gundlaen de Dehfeldtheoie Dehwellen des Luftsaltfelds Stombela eine vom Stom i t I cos ft duchflossenen Wechselstomwicklun: w I a x, t Aw, sin x cos ft mit Aw, und,, R Stombela eine m-stänien Dehstomwicklun: mw I ax, t A sin x ft mit A und,, m R Feldeeun eine m-stänien Dehstomwicklun: v x, t a x, t Rdx c t,... w c ( t ) V (m ),... cos Allemeine Luftsaltleitwetfunktion: ( x, t ) cos( x f t ) mit " Resultieende Luftsaltinduktion: x f t mit V R, f f, b( x, t ) ( x, t ) v ( x, t ) B cos( x f t ) Fü ( x, t ) ilt : ( m ), f f,, B " Wichtie Beiffe: Obeschwinun = Hamonische in Bezu auf die Zeit t Obewelle = Hamonische in Bezu auf die äumliche Ausdehnun am Umfan x Obefeld = Obewelle de Luftsaltinduktion A mw I Ponick

11 Dehwellen des Luftsaltfelds Leibniz-Univesität Hannove Institut fü Antiebssysteme und Leistunselektonik Induktionsmaschinen: Guen von Obefelden und ihe Entstehun I Eine Feldwelle entsteht aus dem Zusammenwiken eine Stombelaswelle und eine Leitwetwelle: b( x, t) ( x, t) a x, t Rdx c t B cos( x f t ) a) Pimäe Feldwellen aus de Gundschwinun des Ständestoms mit f = f Hautwelle des Stombelas mit konstantem Teil des Luftsaltleitwets Hautfeld mit =, f = f, n = f / Obewellen des Stombelas mit konstantem Teil des Luftsaltleitwets ( = anze Zahl) Wicklunsobefelde mit = (+m ), f = f, n = f / Hautwelle und Obewellen des Stombelas mit Leitwetwellen Paametische Obefelde Leitwetwellen aufund de utun Leitwetwellen aufund eine Exzentizität Leitwetwellen aufund de Eisensättiun utunsfelde Exzentizitätsfelde Sättiunsfelde b) Läufefelde aus de Gundschwinun des Läufestoms mit f = sf Hautwelle des Stombelas mit konstantem Teil des Luftsaltleitwets Hautfeld mit =, f = f, n = f / Obewellen des Stombelas mit konstantem Teil des Luftsaltleitwets Läufeestfelde des Gundstoms mit = +, Hautwelle und Obewellen des Stombelas mit Leitwetwellen Paametische Obefelde, s. o. f s ( s) f Ponick

12 Induktionsmaschinen: Guen von Obefelden und ihe Entstehun II Dehwellen des Luftsaltfelds c) Pimäe Feldwellen aus Obeschwinunen des Ständestoms mit f f Hautwelle des Obeschwinuns-Stombelas mit konstantem Teil des Luftsaltleitwets Obeschwinuns-Hautfeld mit =, f = f, n = f / Obewellen des Stombelas mit konstantem Teil des Luftsaltleitwets Wicklunsobefelde de Stomobeschwinunen mit = (+m ), f = f, n = f / Hautwelle und Obewellen des Stombelas mit Leitwetwellen Paametische Obefelde aus Stomobeschwinunen I. All. sind nu die Obeschwinuns-Hautfelde von Bedeutun. d) Läufefelde aus de Abdämfun von Obefelden De entstehende Stombela hat die Polaazahl de induzieenden Feldwelle. I. All. ist nu die Rückwikun auf die induzieende Feldwelle von Bedeutun Ponick

13 Synchonmaschinen: Guen von Obefelden und ihe Entstehun I Dehwellen des Luftsaltfelds 3 Bei Synchonmaschinen weden häufi Buchlochwicklunen einesetzt, die ein dichte besetztes Sektum von Obewellen hevoufen (n = enne de Lochzahl): a) Pimäe Feldwellen aus de Gundschwinun des Ständestoms mit f = f Hautwelle des Stombelas mit konstantem Teil des Luftsaltleitwets Hautfeld mit =, f = f, n = f / Obewellen des Stombelas mit konstantem Teil des Luftsaltleitwets Wicklunsobefelde mit = (+m /n), f = f, n = f / Hautwelle und Obewellen des Stombelas mit Leitwetwellen Paametische Obefelde Leitwetwellen aufund von utun und Pollücken Leitwetwellen aufund eine Exzentizität Leitwetwellen aufund de Eisensättiun utunsfelde Exzentizitätsfelde Sättiunsfelde b) Läufefelde aus Eeeleichstom ode Pemanentmaneten Hautwelle des Läufefelds bei latte Ständebohun Hautfeld mit =, f = f, n = f / Obewellen des Läufefelds bei latte Ständebohun Poladobefelde mit = (+k), f = f /, k =,,, 3,... Hautwelle und Obewellen de Feldeeun des Läufes mit Stände-Leitwetwellen Paametische Poladobefelde mit = (+k + ), f = f (+k) Ponick

14 Synchonmaschinen: Guen von Obefelden und ihe Entstehun II Dehwellen des Luftsaltfelds c) Pimäe Feldwellen aus Obeschwinunen des Ständestoms mit f f Hautwelle des Obeschwinuns-Stombelas mit konstantem Teil des Luftsaltleitwets Obeschwinuns-Hautfeld mit =, f = f, n = f / Obewellen des Stombelas mit konstantem Teil des Luftsaltleitwets Wicklunsobefelde de Stomobeschwinunen mit = (+m /n), f = f, n = f / Hautwelle und Obewellen des Stombelas mit Leitwetwellen Paametische Obefelde aus Stomobeschwinunen I. All. sind nu die Obeschwinuns-Hautfelde von Bedeutun. d) Gf. Läufefelde aus de Abdämfun von Obefelden De entstehende Stombela hat die Polaazahl de induzieenden Feldwelle. I. All. ist nu die Rückwikun auf die induzieende Feldwelle von Bedeutun Ponick

15 Ponick 5 Wichtiste Geäuschaneunen aus Obefelden des Ständes = (+m ) ; = ; uthamonische fü /q = ;;, im Zusammenwiken a) bei Käfiläufen ohne Umichteseisun mit den Läufe-Restfelden des Gundstombelaes de Zahn-Sättiunsfelde de Exzentizitätsfelde (bei statische Exzentizität: K = ; bei dynamische Exzentizität: K = ) b) bei Schleifinläufen ohne Umichteseisun mit den Obefelden des Läufes = (+m ) ; = [+m ( s)] ; uthamonische fü /q =;; ; s K f f m Wichtiste Geäuschaneunen I ; s f f m s ; s 3 ; 3 s K ; ; s m f f m m ; s f f m Relevante Geäuschaneunen

16 Wichtiste Geäuschaneunen II Relevante Geäuschaneunen c) bei Synchonmaschinen ohne Umichteseisun aus Obefelden des Ständes mit = (+m /n) ; = ; uthamonische fü /q = ;; im Zusammenwiken den Poladobefelden = (+ ) ; = (+ ) m / n ; f f d) bei Umichteseisun aus dem Gundschwinuns-Hautfeld = ; = mit den Obeschwinuns-Hautfelden = ; = = ; f = f + f = ; f = f f Aneunen de Odnunszahl = zeien sich imme auch als Tanentialkaft, d. h. als Dehmomentendelun Tyische Eienfequenzen lt. IEC 634-9: Ponick

17 Genzwete lt. IEC Zulässie Genzwete Genzwete fü den Schallleistunseel in db(a) im Leelauf: Die Genzwete elten fü eschlossene, luftekühlte Induktionsmaschinen mit Käfiläufe (IC 4, 5 ode 6) bei etzbetieb Bei Belastun ist mit einem Anstie des Schallleistunseels um bis 8 db(a) zu echnen Ponick

18 Tyische Geäuschanstie bei Umichteseisun lt. IEC Zulässie Genzwete Ponick

19 Analyse und Vemeidun manetische Geäusche am Beisiel eines Fahmotos Vemeidun manetische Geäusche Pemanenteete Synchonmoto mit Zahnsulenwicklun Polzahl = Ständenutzahl = Bemessunsdehzahl n = 6 /min Bemessunsfequenz f = 5 Hz Stomsektum enthält auch f = 598 Hz f = 353 Hz f = 454 Hz Eienfequenzen des Ständejochins = : f = ca. 9 Hz = : f = ca. 3 Hz = 3 : f = ca. 34 Hz = 4 : f = ca. 585 Hz, Ponick

20 f in khz Leibniz-Univesität Hannove Institut fü Antiebssysteme und Leistunselektonik 4 Analyse und Vemeidun manetische Geäusche: Geäusch bei Hochlauf 3 6 / min Ponick

21 Entstehun de bei 6 /min beobachteten Einzeltöne Vemeidun manetische Geäusche Feldsektum in de Fom (Odnunszahl; Fequenz) Hautwelle de Gundfequenz: (5; 5 Hz) Poladobefelde: (5, 5 Hz), (5, 5 Hz), (35, 35 Hz),... Obefelde des Ständestoms: (-, 5 Hz), (, 5 Hz), (-7, 5 Hz), (ot = uthamonische) (7, 5 Hz), (-3, 5 Hz), (3, 5 Hz),... Hautwellen de Obeschwin.: (±5; 598 Hz), (±5, 353 Hz), (±5, 455 Hz) Beobachtete Einzeltöne ca. Hz: z. B. (5; 5 Hz) mit (-7; 5 Hz) = ca. Hz: z. B. (5; 598 Hz) mit (-7; 5 Hz) ode (-5; 598 Hz) mit (5; 5 Hz) ca. Hz: z. B. (5; 598 Hz) mit (-7; 598 Hz) = ca. 3 Hz: z. B. (5; 353 Hz) mit (-7; 5 Hz) ode (5; 353 Hz) mit (5; 5 Hz) ca. 4 Hz: z. B. (5; 454 Hz) mit (-7; 5 Hz) ode (-5; 454 Hz) mit (5; 5 Hz) Gf. Modulation auf = 3 übe statische Exzentizität Möliche Abhilfemaßnahmen Veineun de - und -Hz-Töne duch Reduktion des 598-Hz-Stoms Veineun des -Hz-Tons duch andee utzahl ode Vesteifun des Jochs Veineun de 3- und 4-Hz-Töne duch Ehöhun de Pulsfequenz, f. zentischee Ausichtun des Läufes ode f. Vesteifun des Jochs Ponick

22 Allemeine Voehensweise zu Analyse und Vemeidun von Maneteäuschen Vemeidun manetische Geäusche Emittlun de Eienfequenzen fü die veschiedenen Schwinunsodnunszahlen Odnunszahlen öße... fühen i. All. nu zu einen Auslenkunen Emittlun de Polaazahlen und Fequenzen de wichtisten Komonenten des Luftsaltfelds unte Beücksichtiun de Wikun von Stomobeschwinunen Emittlun de Kombinationen von Feldwellen, die zu einen Schwinunsodnunszahlen fühen, und de zuehöien Aneunsfequenzen Die Odnunszahl de Aneun kann duch die Zahnzahl moduliet weden (Weh-Effekt) Die Odnunszahl de Aneun wid bei Ausichtfehlen (statische Exzentizität) um moduliet Gefählich sind vo allem esonanznahe Aneunen Besondes eäuschanfälli sind dünne Jochine, wie sie bei hocholien Maschinen mit Einzelzahnwicklun ene vewendet weden. Abhilfe bietet wie imme die Reduktion ode Elimination des aneenden Mechanismus duch Ändeun von Wicklun, utzahl, Ausichtun, Sättiun etc. ode bei esonanznahe Aneun die Veschiebun de Eienfequenz Ponick