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Ottimizzazione più semplice dell'acustica delle macchine elettriche

I motori a bassa velocità di combustione nei veicoli sono soggetti a costanti migliorie in termini di livelli di rumore e isolamento e, in alcuni casi, sono anche sostituiti con motorizzazioni alternative. Le motorizzazioni elettriche nei veicoli che un tempo erano soffocati da motori ad alta velocità di combustione generano un rumore altamente percepibile, rendendo l'esperienza dell'utente molto spiacevole. Ciò può influire sull'intero spettro delle funzioni pratiche di guida, come gli alzacristalli elettrici o i meccanismi di regolazione dei sedili, compresi l'avviamento e lo stesso motore di trazione. Ma gli sviluppatori e i progettisti devono affrontare una problematica, in quanto il metodo standard esistente non è in grado di identificare chiaramente le singole cause dei rumori, rendendo virtualmente impossibile eliminarli. Per poter fare valutazioni differenziate al riguardo, gli esperti del fornitore di servizi di sviluppo ARRK|P+Z Engineering hanno trovato un metodo con cui calcolare realisticamente lo stimolo utilizzando le forze elettromagnetiche e determinare la diffusione del suono corrispondente come parte di una simulazione abbinata. I primi studi hanno già dimostrato che in alcuni casi i risultati conseguiti con la tecnica esistente si scostano in modo significativo dalle circostanze reali. Tuttavia, l'applicazione di un metodo più accurato con un processo di ottimizzazione basato sullo stesso può aiutare ad adattare i motori e gli alloggiamenti nella fase di sviluppo iniziale in un modo che riduca le vibrazioni indesiderate.   

“Quando si tratta di indagare i fenomeni acustici nel mondo dello sviluppo delle macchine elettriche, gli esperimenti pratici forniscono solo informazioni limitate. Ciò è dovuto al fatto che semplicemente ci sono troppi fattori di influenza che intervengono tutti insieme per poterli distinguere sulla base dei dati misurati," spiega il Dr Daniel Jung, team leader del reparto Drive Simulation di ARRK|P+Z Engineering. La capacità di considerare singolarmente i fattori di influenza per gli stimoli come parte di un esperimento è possibile fino a un certo punto, e anche allora il processo è estremamente complesso e non offre garanzie di risultati affidabili. Senza conoscere le cause di determinate emissioni di rumore, spesso il solo metodo restante per effettuare migliorie è quello della prova e dell'errore, aggiunto ai costi di un numero sempre maggiore di prototipi e test che lo accompagnano. Ma anche qui non vi è alcun modo per sapere in definitiva con certezza se le perdite di performance o il peso extra utilizzato per ottenere le proprietà acustiche richieste siano davvero necessari. 

L'acustica richiede metodi di calcolo alternativi per la determinazione dei valori di coppia

Una soluzione più economica ed efficiente sarebbe stimolare l'acustica in una fase precoce dello sviluppo. Sarebbe quindi possibile effettuare regolazioni specifiche a singoli fattori e testare i vari insiemi di parametri per consentire un'analisi accurata degli effetti risultanti. Il problema dei motori elettrici, tuttavia, è che gli stimoli dalle forze elettromagnetiche che si sviluppano hanno un ruolo fondamentale in termini di diffusione del suono. I metodi di calcolo standard per la determinazione delle forze elettromagnetiche si basano su una tecnica che definisce i valori di coppia e spesso si affida a un approccio semplificato. Ciò comporta il calcolo delle forze tra il rotore e lo statore per mezzo di un integrale di contorno, che non prende in considerazione il contorno reale o il corso locale reale delle forze, anche se questo livello di semplificazione è perfetto per calcolare i valori di coppia. Col passare del tempo, sono stati adottati anche questi approcci consolidati per simulare la diffusione del suono. Essi tuttavia non offrono un controllo sufficiente dell'accuratezza dei risultati.

"Con i denti a forma di spazzola, e ognuno di essi un elemento flessibile e vibratorio, il comune statore sembra uno strumento musicale," sostiene Peter Huck, uno degli specialisti in Elettromagnetica di ARRK|P+Z Engineering. "Poi vi è anche il fatto che il metodo convenzionale considera solo quelle forze che sono normali in superficie, mentre le forze tangenziali e i movimenti possono anch'essi avere un impatto significativo in termini di acustica." L'ingegnere elettrico lo aveva ben presente quando decise di ideare un metodo per calcolare le forze elettromagnetiche sull'intera superficie e trasferirle a un modello strutturale, che si sarebbe potuto usare per simulare le vibrazioni e l'irradiazione del suono.

Calcolando le forze necessarie utilizzando la resistenza del campo magnetico e la densità di flusso

Allo scopo di definire una base di informazioni adeguata per accoppiare la magnetica e la struttura, come base di calcolo delle forze viene preso il metodo del tensore degli sforzi di Maxwell. Questo metodo prende in considerazione le tensioni risultanti dalle interazioni fra i vettori di carica atomica e i campi magnetici, che si manifestano come forze meccaniche sulle interfacce di materiali magnetici conduttori. È pertanto possibile determinare le densità di forza sulla superficie dello statore con minore influenza dalle variabili di permeabilità magnetica, note per le loro incertezze non trascurabili, migliorando così la qualità dei risultati. Per calcolare lo stimolo di forza si procede alla lettura delle seguenti intensità magnetiche di campo e densità di flusso dalla distribuzione elettromagnetica di campo, in punti definiti lungo i percorsi mappati.

Questo porta a un'enorme quantità di dati, il cui volume è già stato ridotto drasticamente passando dalla mappatura in funzione del tempo a quella basata sulla frequenza, il modo strumentale con cui spiegare uno stimolo di un oggetto, per mezzo dell'analisi Fast Fourier Transform (FFT). Nonostante la presenza di un volume di dati considerevole dopo la FFT, la quantità del lavoro di calcolo viene ridotta e viene fatta un'ulteriore elaborazione più semplificata. Se è possibile limitare il calcolo elettromagnetico per ridurre il livello di sforzo a una simulazione 2D, le variabili definite nello spazio bidimensionale devono comunque essere trasferite nello spazio tridimensionale.

Il processo di simulazione abbinata fa risparmiare fatica

Affinché le forze misurate possano essere usate in un'analisi di risposta di frequenza sul modello strutturale, che rappresenta un passo necessario per il calcolo degli stimoli di vibrazione, da cui derivare eventualmente a sua volta la diffusione acustica in questione, i dati devono essere riportati fra i vari modelli di calcolo. Per assicurare che la quantità di lavoro di calcolo resti entro limiti ragionevoli, il processo di mappatura utilizza il modulo THESEUS-FE Transformer, disegnato appositamente da ARRK|P+Z Engineering per questi tipi di compiti. Il software può passare tra un intero host di formati di risultati diversi e persino riprendere il processo di mappatura dei nodi agli elementi, un passo necessario in questa applicazione.

In questo modo è possibile abbinare i due campi di simulazione per altri aspetti separati di elettromagnetismo e meccanica strutturale per produrre un processo di simulazione standardizzato e trasparente, rendendo all'utente la vita molto più facile in quanto è possibile automatizzare una gran parte del lavoro. "Nonostante il grande volume di dati interessati nel calcolo, lo sforzo richiesto è minimo, presentando quindi un prospetto particolarmente interessante se si considerano i potenziali risparmi nello sviluppo di prodotto," spiega il Dr Jung.       

La semplificazione falsa i risultati

Si è anche osservato che il maggior tempo di calcolo necessario per considerare le superfici dell'intero statore e rotore ai fini della determinazione delle forze magnetiche è giustificato dalla qualità notevolmente migliore di risultati. Quando si è trattato di stabilire la misura in cui le semplificazioni sono giustificabili e le forze locali trascurabili, Peter Huck ha utilizzato l'esempio di una macchina sincrone con eccitazione a magnete permanente con una coppia massima di 400 Nm e una velocità massima di 6000 rmp per confrontare due diversi livelli di dettagli al fine di determinare le forze magnetiche presenti. Nel caso della metodologia appena sviluppata, è stata presa in considerazione la geometria reale dello statore, comprese le scanalature fra i denti. Invece, la tecnica apprezzata in passato considerava solo le forze nel traferro d'aria, che corrisponde al metodo semplificato per il calcolo della coppia.

In quanto parte della simulazione, la macchina girava a 1200 rpm. Una volta ha funzionato a pieno carico di 50 kW e una volta con un'uscita di 25 kW. Col nuovo approccio, è stata generata una potenza sonora irradiata di 42,27 mW a pieno carico e di 26,46 mW con carico parziale. Invece, col metodo standard apprezzato in precedenza i valori sono stati più bassi di circa 33 e 34 per cento rispettivamente. Questo in pratica significa che il metodo semplificato genererebbe il falso assunto che l'elettromagnetismo ha un impatto inferiore sulla diffusione del suono, che potrebbe portare a prendere decisioni incorrette in termini di design. Inoltre, test supplementari con altre condizioni di carico e geometrie hanno rivelato che non è possibile determinare alcun tipo di sistema se i risultati non sono precisi, il che vuol dire che anche, se si conosce la deviazione nel metodo semplificato, non è possibile considerarla come un fattore di correzione empirico. Il metodo di simulazione recentemente sviluppato è quindi indispensabile per la creazione di una rappresentazione realistica dell'irradiazione del suono come base per la progettazione di prodotto.  

Ottimizzazione acustica senza peso extra non necessario o perdita di performance

È in questo contesto che il nuovo approccio sta finalmente trovando impiego in applicazioni pratiche. Infatti, con i valori ottenuti da questi calcoli, gli ingegneri di ARRK|P+Z Engineering hanno potuto presentare un processo progettato appositamente per migliorare la qualità degli alloggiamenti in termini delle loro proprietà acustiche. Essendo una superficie irradiante, l'esterno della macchina elettrica è fondamentale in termini di vibrazioni e rumore, il che significa che offre il migliore e più basilare punto di inizio per gli adattamenti al fine di ottenere le proprietà acustiche desiderate. Grazie ai diversi punti di vista dei vari stimoli, è ora possibile trovare soluzioni che non abbiano necessariamente un impatto negativo sul peso o sulla performance. "Le nervature o anche le camicie di raffreddamento ad acqua presenti in molti motori sono solo un paio di esempi di strumenti di sintonizzazione incredibilmente efficienti," spiega il Dr Jung. "Infatti, il livello di radiazione acustica può essere abbassato in modo significativo utilizzando il processo di ottimizzazione sviluppato da P+Z Engineering per creare le nervature perfette. Invece i metodi di ottimizzazione manuale convenzionali generano spesso un cambio di frequenza senza essere in grado di ridurre il livello di radiazione acustica complessivo."     

L'approccio interdisciplinare adottato dal fornitore del servizio di sviluppo sta realmente generando i suoi frutti, in quanto le capacità, le intuizioni e i requisiti dei vari settori, come le considerazioni teoriche dell'elettromagnetismo e il reale design strutturale di un componente, sono tutti intrecciati fra loro. "Il metodo di calcolo che abbiamo sviluppato si sta confermando uno strumento estremamente prezioso, che possiamo personalizzare in funzione delle esigenze di qualsiasi progetto su cui ci troviamo a lavorare," spiega il team leader del reparto di Simulazione di Guida. Questo comprende l'organizzazione di una macchina elettrica nell'ambito del suo rispettivo ambiente, che in alcuni casi può essere comunque sufficiente per abbassare determinate frequenze. "Anche se la simulazione mostra che la causa del ronzio indesiderato o di qualsiasi altro rumore si tratti non risiede nelle forze magnetiche, abbiamo ancora una situazione di successo, in quanto possiamo utilizzare queste informazioni per restringere la cerchia delle nostre opzioni di influenze di innesco. Questo è molto meglio di quanto attualmente possa mostrarci qualsiasi test pratico, anche con sforzi ragionevoli."

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