Detection of Faulty Rolling Element Bearings in Inverter-Fed Induction Machines via Examination of the Stator Current

Seit ihrer Einführung gegen Ende des 19. Jahrhunderts avancierte die Asynchronmaschine (ASM), insbesondere durch ihre Robustheit und dem vergleichsweise einfachen Aufbau, zu einer wichtigen Antriebsvariante im Bereich der Industrie. Zudem erlangte sie aufgrund des steten Fortschritts auf dem Gebiet der Leistungselektronik in den letzten Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung und verdrängte bei den drehzahlvariablen Antrieben, insbesondere im Schienen- und Personenverkehr, die zuvor favorisierte Gleichstrommaschine nahezu gänzlich. Dieser Trend zeichnete sich in den letzten Jahren ebenfalls im Sektor der Elektromobilität ab, wo mittlerweile vielfach auf eine Kombination von Permanentmagnet-Synchronmotoren und der kosteneffizienteren ASM gesetzt wird. Obwohl diese eben erwähnte Drehfeldmaschine als robust gilt, so sind teilweise über 40% ihrer Ausfälle auf schadhafte Wälzlager am Rotor zurückzuführen. Um daher eine möglichst hohe Effizienz über die gesamte geplante Lebensdauer zu gewährleisten und Totalausfälle zu verhindern, gilt es, ein besonderes Augenmerk auf die Zustandsüberwachung von Wälzlagern zu legen und einen auftretenden Schaden bereits in einem frühen Stadium zuverlässig zu erkennen. Im Rahmen dieser Dissertation wird eine Methode untersucht, welche durch die Analyse des Statorstroms in Netz- und Stromrichter-gespeisten ASMs Defekte in Wälzlagern detektieren soll. Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode, im Vergleich zu anderen etablierten Zustandsüberwachungs-Techniken, die beispielsweise Beschleunigungssensoren einsetzen, liegt in ihrer Robustheit gegenüber Vibrationen, die nicht von den Lagern der betrachteten Maschine selbst verursacht werden. Somit können unerwünschte Fehlinterpretationen vermieden werden, wenn der Beschleunigungssensor Schwingungen erfasst, die aus der Umgebung der überwachten Maschine stammen. Als weitere Nachteile herkömmlicher Schwingungssensoren gelten ihre vergleichsweise hohen Anschaffungskosten, und insbesondere bei elektrischen Maschinen das Fehlen geeigneter ebener Montageflächen für die genannte Sensorik in unmittelbarer Nähe des Lagergehäuses. Zu Beginn dieser gegenständlichen Arbeit wird das System bestehend aus Maschine (elektrischer Teil) und Wälzlager (mechanischer Teil) ganzheitlich betrachtet, wobei sich der erste Teil mit der Konzeptionierung und Simulation eines neuartigen Wälzlagermodells mit fünf translatorischen Freiheitsgraden und unterschiedlichen Defekten widmet. Die daraus abgeleiteten Erkenntnisse fungieren als Basis für ein besseres Verständnis, wie die durch einen Defekt hervorgerufenen Vibrationen in einem fehlerhaften Wälzlager ein zusätzliches winkelabhängiges Reibmoment verursachen. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Fragestellung, wie sich ein periodisches Lastmoment (beispielsweise im Falle eines defekten Lagers) an der Welle einer ASM auf den Verlauf des Statorstroms auswirkt. Aus dem daraus hergeleiteten mathematischen Modell, sowie der experimentellen Verifizierung von ebendiesem, wird ersichtlich, dass der Statorstrom-Verlauf im Falle eines periodischen Lastmoments dem Charakter eines phasenmodulierten Signals ähnelt. Daraus lässt sich folgern, dass im Amplitudenspektrum des Rohsignals vom Statorstrom zusätzliche Peaks auftreten. Die erlangte Erkenntnis über den phasenmodulierten Charakter des Statorstroms im Falle eines (zusätzlichen) periodischen Lastmoments bildet die Basis für das Entwickeln eines geeigneten Algorithmus, welcher eine automatische Detektion von defekten Wälzlagern, wie etwa Einzel- und Mehrfach-Brüche, False Brinelling am Aussen- und/oder Innenring, Grübchenbildung an einer oder an beiden Lauffläche(n), Feuchtigkeitskorrosion, Schäden am Wälzkörper selbst, etc. ermöglicht. Die Evaluierung des besagten Algorithmus erfolgt auf Basis unterschiedlicher Wälzlager-Typen, welche die eben beschriebenen Defekte aufweisen. Di