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E-Maschinen-Akustik einfacher optimieren

Lautstarke Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen werden zunehmend geräuschoptimiert, besser gedämmt oder durch alternative Antriebe ersetzt. Elektrische Antriebe im Fahrzeug, die zuvor akustisch vom lauten Verbrennungsantrieb übertönt wurden, werden nun hörbar und fallen für den Anwender unangenehm auf. Dabei kann es sich um das gesamte Spektrum vom  Komfortantrieb, wie dem Fensterheber oder der Sitzverstellung, über den Starter bis hin zu eigentlichen Traktionsmaschine handeln. Entwickler und Konstrukteure stehen jedoch vor dem Problem, dass sich die Geräuschursachen mit den vorhandenen Standardverfahren kaum eindeutig zuordnen und daher nicht gezielt beheben lassen. Um hier differenzierte Aussagen zu ermöglichen, haben die Experten des Entwicklungsdienstleisters ARRK|P+Z Engineering jetzt eine Methodik entwickelt, mit der sich die Anregung durch die elektromagnetischen Kräfte realitätsnah berechnen und in einer gekoppelten Simulation die entsprechende Schallabstrahlung ermitteln lässt. Bereits erste Untersuchungen zeigten dabei, dass die Ergebnisse der bisherigen Technik teils stark von den tatsächlichen Verhältnissen abweichen. Das genauere Verfahren kann dagegen in Kombination mit einem darauf aufbauenden Optimierungsprozess helfen, bereits frühzeitig im Entwicklungsprozess Motoren und Gehäuse so anzupassen, dass unerwünschte Schwingungen reduziert werden.    

„Praktische Versuche bringen bei der Untersuchung akustischer Phänomene in der E-Maschinen-Entwicklung nur eingeschränkte Erkenntnisgewinne. Hier spielen zu viele Einflussfaktoren gleichzeitig zusammen, als dass die Einflüsse auf Basis von Messdaten eindeutig auseinandergehalten werden könnten“, erklärt Dr. Daniel Jung, Teamleiter im Bereich Simulation Antrieb bei ARRK|P+Z Engineering. Die Einflussfaktoren für die Anregungen isoliert zu betrachten, ist im Versuch nur teilweise möglich, extrem aufwändig und liefert keine absolut zuverlässigen Ergebnisse. Ohne die Ursache für bestimmte Geräuschentwicklungen zu kennen, bleibt daher zur Optimierung oft nur das Trial-and-Error-Prinzip, einschließlich der damit verbundenen Kosten für immer neue Prototypen und Tests – bei dem am Ende dennoch nicht gesichert ist, dass die Leistungseinbußen oder das zusätzliche Gewicht, mit dem die geforderten akustischen Eigenschaften erreicht werden, wirklich notwendig sind. 

Akustik erfordert andere Berechnungsmethoden als Drehmomentenbestimmung

Eine günstigere und effizientere Lösung wäre es, die Akustik in einer früheren Konzeptionphase zu simulieren. Dabei ließen sich einzelne Faktoren gezielt anpassen und verschiedene Parametersätze erproben, um auftretende Effekte genau zu untersuchen. Problematisch an elektrischen Motoren ist jedoch, dass die Anregungen  aus den wirkenden elektromagnetischen Kräften eine wesentliche Rolle für die Schallabstrahlung spielen. Die Standardberechnungsmethoden zur Bestimmung der elektromagnetischen Kräfte basieren auf Verfahren zur Drehmomentenberechnung und nutzen oft eine vereinfachte Methode der Berechnung: Unter anderem werden  dabei  die Kräfte zwischen Rotor und Stator über ein Ringintegral berechnet, welche die tatsächliche Kontur als auch den tatsächlichen lokalen Verlauf der Kräfte nicht berücksichtigt– eine Vereinfachung, die für die Drehmomentenberechnung völlig ausreichend ist. Diese etablierten Verfahren wurden inzwischen auch zur Simulation der Schallabstrahlung übernommen, ohne ausreichend zu hinterfragen, wie genau die erzielten Ergebnisse sind.

„Tatsächlich erinnert der gängige Aufbau des Stators mit seinen bürstenartigen Zähnen aber an ein Musikinstrument. Jeder Zahn ist ein flexibles, schwingendes Element“, wendet dagegen Peter Huck, einer der Experten für Elektromagnetik bei ARRK|P+Z Engineering, ein. „Hinzu kommt, dass die übliche Methodik lediglich Kräfte normal zur Oberfläche berücksichtigt, während in der Akustik auch tangentiale Kräfte und Bewegungen einen erheblichen Einfluss haben können.“ Der Elektroingenieur entwickelte daher ein Verfahren um die elektromagnetischen Kräfte entlang der gesamten Oberfläche berechnen und auf ein Strukturmodell übertragen zu können, anhand dessen sich Schwingungen und Schallabstrahlung simulieren lassen.

Berechnung der notwendigen Kräfte anhand der magnetischen Feldstärke und Flussdichte

Um eine geeignete Datengrundlage für die Kopplung von Magnetik und Struktur zu schaffen, dient als Berechnungsbasis der Kräfte die Maxwell’sche Stresstensor-Methode. Diese betrachtet die Spannungen, die sich aus den Wechselwirkungen von atomaren Ladungsträgern und magnetischen Feldern ergeben und sich an den Grenzflächen magnetisch leitender Materialien als mechanische Kräfte äußern. Diese erlaubt es die Kraftdichten an der Oberfläche des Stators mit verringertem Einfluss der im Regelfall mit starken Unsicherheiten behafteten Größe der magnetischen Permeabilität zu bestimmen und somit die Ergebnisgüte zu erhöhen. Um die Kraftanregung zu errechnen, werden die aus der elektromagnetischen Feldverteilung folgende magnetische Feldstärke und magnetische Flussdichte an definierten Punkten entlang von Pfaden ausgelesen.

Dabei ergibt sich ein enormes Datenvolumen, das jedoch bereits durch die Transformation von der zeit- zur frequenzbasierten Abbildung – der entscheidenden Darstellung für die Anregung eines Körpers – mittels Fast-Fourier-Analyse (FFT) stark reduziert wird. Das verringert den Rechenaufwand und vereinfacht die weitere Handhabung, auch wenn die Datenmenge nach der FFT immer noch erheblich ist. Sollte es möglich sein  die elektromagnetische Berechnung zur Aufwandsreduktion auf eine 2D-Simulation zu beschränken,  müssen dazu die im 2-dimensionalen Raum ermittelten Größen noch auf den 3-dimensionalen Raum transferiert werden.

Prozess zur gekoppelten Simulation spart Arbeitsaufwand

Damit sich die ermittelten Kräfte für eine Frequenzganganalyse am Strukturmodell verwenden lassen – was notwendig ist zur Berechnung der Schwingungsanregungen, aus denen wiederum die gesuchte akustische Abstrahlung abgeleitet werden kann – müssen die Daten zwischen den verschiedenen Berechnungsmodellen übertragen werden. Um den Rechenaufwand in einem vertretbaren Rahmen zu halten, übernimmt das Mapping das THESEUS-FE Transformer Modul, welches von ARRK|P+Z Engineering für derartige Aufgaben entwickelt wurde. Die Software kann zwischen unterschiedlichsten Ergebnisformaten übersetzen und auch das Mapping von Knoten auf Elemente, wie es für diese Anwendung benötigt wird, übernehmen.

Auf diese Weise lassen sich die beiden ansonsten getrennten Simulationsbereiche Elektromagnetismus und Strukturmechanik koppeln, wodurch sich ein einheitlicher und transparenter Simulationsprozess ergibt. Für die Praxis bedeutet das ein hohes Maß an Anwenderfreundlichkeit, da ein Großteil der Arbeit automatisiert ablaufen kann. „Trotz der großen Menge an Daten, die in die Berechnung einfließen, fällt nur wenig Arbeitsaufwand an, was das Verfahren gemessen an den Einsparungsmöglichkeiten für die Produktentwicklung sehr interessant macht“, erklärt Dr. Jung.         

Vereinfachung verfälscht Ergebnisse

Daneben hat sich auch gezeigt, dass die erhöhte Rechenzeit bei der Betrachtung der gesamten Oberfläche von Stator und Rotor zur Bestimmung der magnetischen Kräfte durch die deutlich bessere Ergebnisqualität gerechtfertigt wird: Um zu ermitteln, inwieweit Vereinfachungen vertretbar sind und lokale Kräfte vernachlässigt werden können, verglich Peter Huck am Beispiel einer permanenterregten Synchronmaschine mit einem maximalen Drehmoment von 400 Nm und einer Höchstdrehzahl von 6.000 U/min zwei unterschiedliche Detailgrade für die Ermittlung der auftretenden magnetischen Kräfte. Im Fall der neu entwickelten Methodik wurde die tatsächliche Geometrie des Stator einschließlich der Nuten zwischen den Zähnen betrachtet. Bei der bisher oft verwendeten Variante wurden dementgegen ausschließlich die Kräfte am Luftspalt berücksichtigt, was dem vereinfachten Verfahren aus der Drehmomentenberechnung entspricht.

In der Simulation wurde die Maschine mit 1.200 U/min einmal bei Volllast mit 50 kW und einmal mit 25 kW Leistung gefahren. Dabei ergab sich mit dem neu entwickelten Verfahren eine abgestrahlte Schallleistung von 42,27 mW bei Volllast und 26,46 mW bei Teillast. Mit dem bisher oft verwendeten Standardverfahren lagen die errechneten Werte dagegen rund 33 beziehungsweise 34 Prozent niedriger. In der Praxis würde die vereinfachte Methode daher zur falschen Annahme einer geringeren Auswirkung des Elektromagnetismus auf die Schallabstrahlung führen, worauf unter Umständen konstruktive Fehlentscheidungen folgen würden. Zudem ergaben weitere Tests mit anderen Lastfällen und Geometrien, dass sich keine Systematik in der Ergebnisungenauigkeit feststellen lässt. Das heißt, selbst mit dem Wissen um die Abweichung beim vereinfachten Verfahren lässt sich diese nicht als empirischer Korrekturwert einberechnen. Für eine realistische Darstellung der Schallabstrahlung als Basis der Produktkonzeption ist das neu entwickelte Simulationsverfahren demnach unersetzlich.   

Akustik-Optimierung ohne unnötiges zusätzliches Gewicht oder Leistungseinbußen

Vor diesem Hintergrund wird das neue Verfahren inzwischen bereits in der Praxis genutzt. Die Ingenieure von ARRK|P+Z Engineering speisen mit den Werten aus der Berechnung einen dafür entwickelten Prozess zur Gehäuse-Optimierung hinsichtlich der akustischen Eigenschaften. Da die Außenseite der E-Maschine für die Schwingungen und den Schall als abstrahlende Fläche entscheidend ist, bietet sie den besten und einfachsten Ansatzpunkt für Anpassungen, um die gewünschten akustischen Eigenschaften zu erreichen. Dank des differenzierteren Blicks auf die verschiedenen Anregungen lassen sich dazu jetzt Lösungen finden, die sich nicht einmal zwangsläufig negativ auf Gewicht oder Leistung auswirken. „Eine sehr effiziente Stellschraube ist beispielsweise die Verrippung oder sogar der Wasserkühlmantel vieler Motoren“, berichtet Dr. Jung. „Indem eine optimale Verrippung  durch den bei P+Z Engineering entwickelten Optimierungsprozess erzeugt wird, kann die akustische Abstrahlung entscheidend reduziert werden. Bei gängigen Verfahren der manuellen Optimierung wird dementgegen oft lediglich eine Frequenzverschiebung erreicht ohne den Gesamtpegel der akustischen Abstrahlung reduzieren zu können.“      

Die interdisziplinäre Arbeitsweise des Entwicklungsdienstleisters macht sich bezahlt, indem die Möglichkeiten, Erkenntnisse und Anforderung verschiedener Bereiche – wie die theoretische Betrachtung des Elektromagnetismus und die tatsächliche konstruktive Auslegung eines Bauteils – ineinander greifen. „Das entwickelte Berechnungsverfahren gibt uns hier ein wertvolles Werkzeug an die Hand, das wir dem jeweiligen Projekt angepasst einsetzen können“, so der Teamleiter Simulation Antrieb. Dazu gehört unter anderem die Einordnung der E-Maschine in die jeweilige Umgebung – die unter Umständen gewisse Frequenzen ohnehin ausreichend abdämpft. „Selbst wenn die Simulation ergibt, dass die Ursache für das unerwünschte Surren oder ähnliches nicht in den magnetischen Kräften liegt, ist das für uns ein Gewinn, weil wir so die auslösenden Einflüsse  eingrenzen können – viel besser als es Praxistests mit vertretbarem Aufwand aktuell darstellen könnten.“

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