Zuverlässigkeitsanalysen für Verbindungstechniken zwischen Drehgebern und Motorwellen unter Einwirkung mechanischer Bremsenschocks

Sogenannte Bremsenschocks, die beim Einfallen und Lösen der Bremse in Elektromotoren entstehen, haben auf die direkte Umgebung in Elektromotoren einen schädigenden Einfluss. Besonders davon betroffen sind sicherheitsgerichtete Drehgeber, die für die Erfassung der Winkelposition der Motorwelle und der Geschwindigkeitserfassung eingesetzt werden. Der Einfluss von Bremsenschocks kann entweder reversibel in Form temporärer Signalverzerrungen sein oder eine dauerhafte mechanische Schädigung der umliegenden Komponenten hervorrufen. Diese Art von Schocks wurden bis zum Jahr 2021 in der Normung von Schockprüfungen unzureichend betrachtet. Dort wurden Schockprüfungen von Drehgebern lediglich mit einer Halbsinus-Anregung vorgeschrieben, wohingegen es sich bei realen Bremsenschocks um hochfrequente, transiente Ereignisse handelt. 2021 wurde ein Entwurf der Norm IEC 61800-5-3 veröffentlicht, in dem eine erweiterte Schockprüfung vorgestellt wird. Auf der Grundlage dieser Schockprüfung werden in Rahmen dieser Dissertation Dauerlaufversuche an Drehgebern durchgeführt. Zu Beginn dieser Dissertation werden die Grundlagen der Bremsenschocks sowie der Beurteilung ihrer Schädigungswirkung mittels des Pseudogeschwindigkeits-Schockantwortspektrums beschrieben. Außerdem wird der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise von optischen Drehgebern erläutert, sowie deren bekannte Ausfallmechanismen. Im Rahmen der durchgeführten Dauerlaufversuche stehen Verbindungstechniken im Fokus, die innerhalb des Drehgebers vorkommen, und die Verbindungstechniken, die für die Verbindung von Drehgeber und Elektromotor benötigt werden. Diese Techniken umfassen das Kleben und Verschrauben, deren Grundlagen und zuvor bekannten Ausfallmechanismen ebenfalls beschrieben werden. Nachfolgend wird die Versuchsdurchführung erläutert und ein Überblick über die Parametrierung des verwendeten Prüfstandes gegeben. Es konnte festgestellt werden, dass Bremsenschocks allgemein betrachtet eine Schädigungswirkung auf Drehgeber haben und sowohl reversible Beeinträchtigungen als auch irreversible Schädigungen hervorrufen. Dabei konnte eine breite Streuung der Ausfallzeitpunkte und der Schadensbilder beobachtet werden. Die Ergebnisse der Dauerlaufversuche wurden statistisch mittels Weibull-Analyse ausgewertet. Weiterführend wurde ebenfalls eine Auswertung mit Hilfe des sogenannten Weibayes-Ansatzes vorgenommen. Die Auswertungsergebnisse wurden verglichen und in den Kontext der Entwicklung von Drehgebern gesetzt. Abschließend wird ein Messsystem vorgestellt, welches im Rahmen dieser Dissertation entwickelt wurde. Es ist für die Bremsenschock-Messung innerhalb von Anwendungen geeignet und verfügt über eine kabellose Datenübertragung, was eine möglichst realitätsnahe Bremsenschockerfassung während der Rotation der Motorwelle gewährleistet. Für das System wurde die Messunsicherheit berechnet und eine Validierung durchgeführt, um zu zeigen, dass das Messsystem ähnlich gute Daten bereitstellt wie ein kabelgebundener Beschleunigungssensor. Ein solches Messsystem kann im Rahmen der Qualifizierung von Drehgebern hinsichtlich der Belastung durch Bremsenschocks eingesetzt werden.