E-Motor-NVH-Simulation: Elektromagnetische Anregungsanalyse mit AVL EXCITE™ M

Die elektromagnetische Anregung in einem Elektromotor hat einen erheblichen Einfluss auf dessen NVH-Eigenschaften. Die Drehmomentwelligkeit und die Zahnkräfte des Elektromotors wirken als Anregungsquellen, die das dynamische Verhalten und das NVH-Verhalten des Motors beeinflussen. Diese Anregungen sind nicht konstant, sondern schwanken aufgrund von Faktoren wie Rotorposition und -drehzahl, Rotorversatz, Stromoberwellen und Reglereinstellungen. 

Beispielsweise kann die Drehmomentwelligkeit, eine Schwankung des vom Elektromotor erzeugten Drehmoments, zu Vibrationen führen, die sich über die Struktur von Getriebe und Gehäuse ausbreiten. Ebenso können Zahnkräfte, also die Kräfte, die aufgrund elektromagnetischer Wechselwirkungen auf die Statorzähne wirken, das Motorgehäuse und andere Komponenten anregen und zu Körperschall führen. Diese Anregungen können auch mit der Struktur des Motors interagieren, bestimmte Schwingungsmodi verstärken und möglicherweise Resonanzen verursachen.

In EXCITE M werden diese elektromagnetischen Anregungen modelliert und analysiert, um ihre Auswirkungen auf die NVH-Leistung vorherzusagen. Durch die Simulation dieser Kräfte können Ingenieure kritische Frequenzen und Schwingungsmodi identifizieren, die Auswirkungen von Konstruktionsentscheidungen (z. B. Rotorexzentrizität oder Statorzahngeometrie) bewerten und Maßnahmen zur Minderung unerwünschter Geräusche und Vibrationen umsetzen. Dadurch wird sichergestellt, dass der Motor reibungslos arbeitet und die NVH-Leistungsstandards erfüllt.

Ein wichtiger Schritt im Arbeitsablauf der hochpräzisen NVH-Simulation von Elektromotoren ist die Extraktion elektromagnetischer Anregungsdaten. Das AVL E-Motor Tool™ unterstützt diesen Prozess, indem es NVH-Ingenieuren unabhängig von ihren elektromagnetischen Fachkenntnissen die Möglichkeit gibt, die erforderlichen Eingaben zu generieren. Durch die Angabe von Motorgeometrie und -material können Anwender den Simulationsablauf mit minimalem manuellem Aufwand starten.

Sobald die Eingaben definiert sind, erstellt das Tool automatisch das Modell und ermöglicht es den Anwendern, gewünschte Zusatzergebnisse zu spezifizieren. Auf Basis dieser Einstellungen wird dann automatisiert eine 2D-elektromagnetische Simulation aufgesetzt und durchgeführt, die Anregungsdaten wie Statorkräfte, Rotordrehmoment oder andere relevante Größen für die nachgelagerte NVH-Analyse generiert. Die Ergebnisse können nahtlos in EXCITE M importiert werden, um eine detaillierte Mehrkörperdynamiksimulation durchzuführen, wodurch eine reibungslose Integration zwischen elektromagnetischer und mechanischer Modellierung im NVH-Entwicklungsprozess gewährleistet ist.

In EXCITE M werden Rotor und Stator eines Elektromotors in mehreren Axialschichten modelliert. Jede Schicht wird durch einen Knoten am Rotorkörper und einen Mittelpunktsknoten oder eine Reihe von Umfangsknoten am Statorkörper dargestellt. In der Regel entspricht mindestens eine Schicht einem Schrägungsabschnitt des Elektromotors. Die Elektromotorverbindung regt diese Knoten an und ermittelt deren Bewegungsgrößen.

Im EXCITE M E-Motor EMC (Electro-Mechanical Coupling) Joint verfügbare elektromagnetische Anregungs-Workflows:

• EMC-tabellenbasierter Workflow: Verwendet im Voraus berechnete Statorkräfte und Rotordrehmoment und bietet einen unkomplizierten Prozess, vernachlässigt jedoch dynamische Effekte während des Betriebs.
• EMC-parameterbasierter Workflow: Berechnet elektromagnetische Kräfte dynamisch unter Berücksichtigung der Bewegung des E-Antriebs und der Drehmomentänderungen.
• EMC-dateibasierter C-C-Workflow (Center-Center): Berechnet das Rotordrehmoment dynamisch in Echtzeit innerhalb von EXCITE M und passt sich kontinuierlich an die Betriebsbedingungen an. Der E-Motorregler ist in das Koppelelement integriert.
• EMC-Datei-basierter C-S-Workflow (Center-Surface) (fortschrittlichste Methode): Berechnet das Rotordrehmoment und die Statorkräfte dynamisch in Echtzeit innerhalb von EXCITE M und passt sich kontinuierlich an die Betriebsbedingungen an. Der E-Motorregler ist in das Koppelelement integriert.

Die Anregungseigenschaften in EXCITE M beziehen sich auf die Kräfte oder Momente, die auf ein System ausgeübt werden, um dynamisches Verhalten wie Vibrationen oder Geräusche zu simulieren. 

Die Begriffe „Center-Center EMC1” und „Center-Surface EMC2” beschreiben spezifische Konfigurationen für die Anwendung dieser Anregungen in E-Motor-Verbindungen:

1. Center-Center EMC1: Bei dieser Konfiguration wird das Drehmoment auf die mittleren Knotenpunkte des Rotors und des Gehäuses ausgeübt. Diese Konfiguration verwendet auf Feldberechnungen basierende elektrische Netzwerkmodelle, d. h., die mechanischen und elektrischen Systeme sind gekoppelt, und die elektromagnetische Simulation liefert die Parameter für das Modell, das auch das Verhalten des E-Motor-Controllers berücksichtigt.

    

2. Center-Surface EMC2: Hier wird das Drehmoment auf die mittleren Knotenpunkte des Rotors ausgeübt, während die Zahnkräfte auf die Umfangsknotenpunkte des Stators verteilt werden. Diese Konfiguration berücksichtigt Exzentrizitätseffekte wie Fehlausrichtung oder Rotorneigung und ist ebenfalls dateibasiert, sodass eine detaillierte dynamische und akustische Analyse unter Berücksichtigung der Einstellungen der E-Motorsteuerung möglich ist. Darüber hinaus kann der Einfluss von PWM berücksichtigt werden.

Diese Konfigurationen werden verwendet, um verschiedene physikalische Verhaltensweisen zu simulieren und die Auswirkungen von Designentscheidungen auf die Systemleistung zu bewerten. Beispielsweise ist EMC2 besonders nützlich, um die Auswirkungen der Rotorexzentrizität auf Akustik und Vibrationen zu untersuchen.

Die Schrägstellung des Elektromotors ist eine häufig angewandte Konstruktionsstrategie zur Reduzierung von Drehmomentwelligkeiten in Elektromotoren. Herkömmliche Analysemethoden basieren jedoch häufig auf mehreren 2D-Elektromagnetfeldsimulationen, die für jeden Schrägstellungswinkel eine separate Berechnung erfordern. Dies kann zu einem erheblichen Rechenaufwand führen, insbesondere wenn während der Konstruktionsoptimierung mehrere Konfigurationen bewertet werden.

Mit der EMC2-Kopplung in EXCITE M wird diese Einschränkung durch einen effizienteren Ansatz behoben. Ein einziger 2D-Elektromagnetiksimulationssatz wird verwendet, um die Statorkräfte für jeden Rotorabschnitt zu berechnen, sodass keine separaten Simulationen für die Schrägstellungvariation durchgeführt werden müssen. Zumeist wird die Schrägstellung wird auf den Rotor angewendet, der durch zentrale Knoten im Simulationsmodell dargestellt wird. Dadurch müssen Finite-Elemente-Modelle bei einer Änderung der Schrägstellungsparameter nicht neu generiert werden, was eine optimierte Parameteruntersuchung ermöglicht und den gesamten NVH-Simulationsworkflow beschleunigt.

Simulationsergebnisse: axialer Versatz des Elektromotors und dessen Auswirkung auf NVH

Campbell-Diagramme werden häufig in der NVH-Analyse von Elektromotoren verwendet, um wichtige Kennzahlen wie Strukturvibrationen, Geschwindigkeit und Beschleunigung über den gesamten Betriebsbereich zu visualisieren. Diese Diagramme bieten zwar einen umfassenden Überblick über das Systemverhalten, können jedoch bei der Bewertung spezifischer Anregungsquellen oder harmonischer Anteile schwierig zu interpretieren sein.

Um eine gezieltere Analyse zu ermöglichen, bietet der Simulationsworkflow eine Ordnungsanalyse, die Frequenzkomponenten bestimmt. Diese Ordnungsauswertung erleichtert die Identifizierung dominanter Anregungsordnungen, die Beurteilung von Resonanzbedingungen und den Gewinn klarerer Erkenntnisse über die Auswirkungen von Konstruktionsänderungen auf das Schwingungs- und Akustikverhalten.

Nach der Bewertung der Systemantwort konzentriert sich der nächste Schritt auf das elektromagnetische Anregungsverhalten in einer schrägen Rotorkonfiguration. In dem Beispiel, auf das sich dieser Artikel stützt, ist der Rotor in drei Blöcke unterteilt. Das erste Segment ist leicht nach vorne verdreht, während der dritte Block nach hinten versetzt ist. Der mittlere Abschnitt zeigt keine Unterschiede zwischen der schrägen und der nicht schrägen Konfiguration.

Im ersten und dritten Abschnitt ist jedoch der Einfluss der Rotorschrägstellung sowohl im Zeitpunkt der Anregung als auch in der Amplitude der resultierenden elektromagnetischen Kräfte deutlich sichtbar. Diese Änderungen beeinflussen das gesamte NVH-Verhalten aus und zeigen, wie sich der Schrägwinkel und die Segmentpositionierung auf die lokalen Kraftverteilungen in der Rotorstruktur auswirken.

Einsatz von NVH-Simulationsergebnissen zur Minimierung der Drehmomentwelligkeit 

Die Simulationsergebnisse in der 48. Ordnung – entsprechend den 48 Statornuten– zeigen eine deutliche Verringerung der Drehmomentwelligkeit, die durch die Schrägung entlang eines Statorzahnsegments erreicht wurde. Diese Ordnungsanalyse verdeutlicht, wie konstruktive Maßnahmen harmonische Anregungen, die zu NVH in Elektromotoren beitragen, wirksam minimieren können.

Der Einfluss des Rotorversatzes auf NVH

Ein weiterer Parameter, der sich auf die NVH-Leistung auswirkt, ist der axiale Rotorversatz zur Drehachse des Elektromotors. Diese Exzentrizität kann durch Fertigungs- und Montagetoleranzen, Lagerspiel oder Betriebsverformungen entstehen.

Es lassen sich zwei Arten von Offsets unterscheiden:

• Statischer Versatz – wird in der Regel durch Fertigungs- und Montagetoleranzen verursacht und führt zu einer konstanten Verschiebung gegenüber dem elektromagnetischen Zentrum.

   

• Dynamischer Versatz – tritt während des Betriebs aufgrund dynamischer Belastungen, Lagerdynamik oder struktureller Durchbiegungen auf und führt zu Schwankungen der Rotorposition im Laufe der Zeit.

Die Lagertoleranzen können auch zu einer Schrägstellung führen, was bedeutet, dass Rotor- und Statorachse nicht parallel sind. Dies ist besonders für NVH relevant, da die Exzentrizität die Luftspaltverteilung zwischen Rotor und Stator verändert, bestimmte elektromagnetische Kraft-Harmonische verstärkt und möglicherweise die Schwingungspegel erhöht.

Mit dem E-Motor Tool lassen sich diese Effekte effizient modellieren. Um die Center-Surface EMC2-Verbindung in EXCITE M zu parametrisieren, sind nur wenige 2D-Elektromagnetiksimulationen im E-Motor Tool erforderlich:

• Eine ohne Versatz (ideale Mittelposition)
• Ein bis zwei mit Versatz bis zur zu erwartenden Auslenkung

Anhand dieser Simulationsergebnisse kann EXCITE M die entsprechenden Statorkräfte sowohl für konzentrische als auch für exzentrische Zustände berechnen, wodurch eine detaillierte NVH-Analyse ohne übermäßige Simulationsläufe ermöglicht wird.

Pulsweitenmodulation (PWM) als NVH-Anregungsquelle

Der Wechselrichter ist ein leistungselektronisches Gerät, das den Hochspannungsgleichstrom (DC) aus der Batterie in den zum Antrieb des Elektromotors erforderlichen Wechselstrom (AC) umwandelt. Er erzeugt annähernd sinusförmigen Wechselstrom durch Pulsweitenmodulation (PWM), bei der die Leistungselektronik die Spannung mit hoher Geschwindigkeit ein- und ausschaltet, um die gewünschte Wellenform zu approximieren.

Dieser Schaltvorgang führt zu kleinen Welligkeiten im Stromsignal, die dann zusätzliche elektromagnetische Anregungen zur Folge haben, die typischerweise auf diskrete, hohe Frequenzen konzentriert sind, die durch das PWM-Schaltmuster bestimmt werden. Je nach Regelungsstrategie können folgende Muster auftreten:

• Konstante Schaltfrequenz – eine feste PWM-Frequenz unabhängig von der Drehzahl.
• Drehzahlabhängige Schaltfrequenz – wobei die PWM-Frequenz mit der Motordrehzahl skaliert.
• Zufällige Schaltung – wodurch die harmonische Energie über ein breiteres Spektrum verteilt wird, um tonale Geräusche zu reduzieren.

Bei der NVH-Analyse ist es wichtig, die PWM-Anregung zu berücksichtigen, da sie insbesondere in höheren Frequenzbereichen mit Strukturresonanzen oder anderen elektromagnetischen Oberwellen interagieren kann. Mit dem EMC2-Koppelelement in EXCITE M können diese Effekte in das elektromagnetische Anregungsmodell integriert werden, sodass Ingenieure potenzielle Geräuschprobleme bereits in einer frühen Phase des Konstruktionsprozesses bewerten und mindern können.

Elektromagnetische Anregung ist ein Hauptfaktor für das NVH-Verhalten in Elektromotoren – sie beeinflusst das ganze Spektrum, von Drehmomentwelligkeit niedriger Ordnung bis hin zu hochfrequenten Tonrauschen. In diesem Artikel haben wir dargelegt, wie Faktoren wie Rotorverzug, Rotorversatz und PWM-Anregung Kraftmuster und Schwingungsreaktionen erheblich verändern können und wie fortschrittliche Simulationsworkflows diese Effekte messbar und kontrollierbar machen.

Zu den wichtigsten Erkenntnissen gehören:

• Eine Rotorschrägung kann die Drehmomentwelligkeit bei kritischen Ordnungen reduzieren.
• Axialer Rotorversatz und -neigung verändern die Luftspaltverteilung und führen zu zusätzlichen Kraft-Oberwellen, die strukturelle Resonanzen anregen können.
• PWM-Schaltmuster erzeugen hochfrequente Anregungen, die mit der mechanischen Struktur interagieren können.
• Die EMC2-Kopplung in EXCITE M ermöglicht die dynamische Online-Berechnung von Rotordrehmoment und Statorkräften, wobei Schrägung, Rotorexzentrizität und regelungsbezogene Effekte anhand der Ergebnisse weniger 2D-Elektromagnetiksimulationen erfasst werden.
• Gezielte Analysewerkzeuge wie Ordnungsauswertung und Campbell-Diagramme bieten tiefere Einblicke in dominante Anregungsquellen und ermöglichen so eine effektivere Designoptimierung.

Durch die Kombination des E-Motor Tool zur Erzeugung elektromagnetischer Anregung mit EXCITE M für die Mehrkörperdynamiksimulation können Ingenieure sowohl die elektrische als auch die mechanische Seite von Dynamik und höherfrequenten Anregungen in einem integrierten Workflow modellieren. Dieser hochpräzise Ansatz hilft dabei, potenzielle NVH-Probleme früher zu erkennen, Designkompromisse schneller zu bewerten und die Leistung des Elektromotors zu optimieren, bevor physische Prototypen gebaut werden.

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Was bedeutet elektromagnetische Anregung für NVH?

Elektromagnetische Anregung bezieht sich auf Kräfte, die durch elektromagnetische Wechselwirkungen im Motor erzeugt werden und durch Drehmomentwelligkeit und Statorzahnkräfte einen direkten Einfluss auf die Struktur haben.

Warum sollte man eine hochpräzise NVH-Simulation verwenden?

Eine hochpräzise NVH-Simulation modelliert komplexe dynamische Wechselwirkungen genau und ermöglicht so die frühzeitige Erkennung und Minderung von Geräusch- und Vibrationsproblemen.

Was sind die Unterschiede zwischen den Konfigurationen EMC1 und EMC2 in AVL EXCITE™ M?

EMC1 wendet Drehmoment auf Rotor- und Statorzentren an, während EMC2 die Statorzahnkräfte über den Statorumfang verteilt und die Auswirkungen der Rotorexzentrizität für eine detaillierte NVH-Analyse erfasst.

Wie vereinfacht das E-Motor-Tool NVH-Workflows?

Es automatisiert 2D-elektromagnetische Simulationen und integriert die Ergebnisse nahtlos in EXCITE M, sodass NVH-Ingenieure auch ohne fundierte elektromagnetische Fachkenntnisse anspruchsvolle elektromagnetische Analysen durchführen können.