Zuverlässigkeitsorientierte Auslegungsmethodik elektrischer Maschinen unter Berücksichtigung der Ausfallwahrscheinlichkeit von Isolationssystemen (Band 39)

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„Zuverlässigkeitsorientierte Auslegungsmethodik elektrischer Maschinen unter Berücksichtigung
der Ausfallwahrscheinlichkeit von Isolationssystemen“
Der hohe Bedarf an leistungsdichten elektrischen Maschinen für Traktionsanwendungen führt
historisch bedingt zu einer heute vorrangig leistungsorientierten Maschinenauslegung. Die
leistungsdichten Maschinen werden thermisch stark ausgenutzt, sodass die thermische Alterung über
viele Jahre die maßgebliche Ursache für Isolationsausfälle darstellte. Durch die Spezifizierung von
Wärmeklassen mit Dauergebrauchstemperaturen in der DIN EN 60085 werden die thermischen
Randbedingungen für einen zuverlässigen stationären Betrieb festgelegt. Die Verwendung der
Dauergebrauchstemperatur als Kennwert für die Zuverlässigkeit dynamisch belasteter
Traktionsmaschinen führt jedoch zu einem überdimensionierten Isolationssystem. Zusätzlich erhöhen
Innovationen wie schnellschaltende Wide-bandgap (WBG) Halbleiter und die 800 V-Technik die
elektrische Belastung des Isolationssystems, sodass der Fokus auf die thermischen
Schädigungsmechanismen in modernen Traktionsmaschinen als unzureichend eingeschätzt wird.
In dieser Dissertation wird anhand von Lebensdaueruntersuchungen nachgewiesen, dass die
elektrische Belastung bei den oben genannten Innovationen gegenüber der thermischen Belastung
nicht vernachlässigbar ist. Es wird ein statistisches Modell auf Basis des Design of Experiments (DoE)
entwickelt, das die Lebensdauer in Abhängigkeit multiphysikalischer Belastungsparameter beschreibt
und dazu beiträgt, das Verständnis der Ausfallmechanismen zu erweitern. Zusätzlich trägt diese
Dissertation zu einem Paradigmenwechsel bei, die Belastbarkeit direkt anhand der Lebensdauer und
nicht anhand der Wärmeklasse zu bestimmen. Darüber hinaus bietet die Entwicklung eines Modells
zur Spannungsverteilung Ingenieurinnen und Ingenieuren ein Werkzeug, um die reale
Spannungsbelastung einer elektrischen Maschine abzuschätzen und entsprechend der
Zuverlässigkeitsanforderungen geeignete Zielgrößen wie die Impulse Voltage Insulation Class (IVIC)
vorzugeben. Da Teilentladungen die elektrische Alterung signifikant beeinflussen, wird neben den
Lebensdaueruntersuchungen die Zuverlässigkeit verschiedener Isolationsmaterialien anhand ihrer
Teilentladungsaktivität beurteilt. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, inwieweit dickere
Isolationsmaterialien die Repetitive Partial Discharge Inception Voltage (RPDIV) erhöhen und so zu
einer erhöhten Zuverlässigkeit beitragen können. Die Messergebnisse und entwickelten Modelle
werden in einem methodischen Ansatz zur zuverlässigkeitsorientierten Maschinenauslegung
implementiert. Da dieser Ansatz detailliertere Betrachtungen der Belastungsgrenzen und
Ausfallmechanismen in einer frühen Entwicklungsphase vorsieht, ermöglicht er, Maschinen näher an
ihren Betriebsgrenzen auszulegen und so Optimierungspotenziale auszuschöpfen, die durch
überdimensionierte Isolationssysteme entstanden sind. Er zeigt Maschinenentwicklern eine neue
Perspektive und trägt zur Formulierung zukünftiger Forschungsfragestellungen bei.