NVH-Analyse einer elektrischen Wasserpumpe

Mit der globalen Umgestaltung der Energiestruktur und der Weiterentwicklung der „Dual-Carbon“-Strategie steigt die Marktdurchdringung von Fahrzeugen mit neuen Energien – einschließlich reiner Elektro- und Plug-in-Hybridfahrzeuge – kontinuierlich.

Als zentrale Komponente des Wärmemanagementsystems in diesen Fahrzeugen sorgt die elektrische Wasserpumpe für die Kühlung von Batterie, Motor und Leistungselektronik. Ihre Zuverlässigkeit, Effizienz und NVH-Leistung (Noise, Vibration, and Harshness) beeinflussen direkt die Sicherheit, den Energieverbrauch und den Fahrkomfort.

Im Unterschied zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor arbeiten elektrische Wasserpumpen in Elektro- und Hybridfahrzeugen häufig mit höheren Drehzahlen und unterliegen zahlreichen Start-Stopp-Zyklen. Vibrations- und Geräuschprobleme fallen im leiseren Innenraum von Elektrofahrzeugen, da maskierende Gräusche und Vibrationen des Verbrennungsmotors fehlen, besonders auf und machen die Leistung der Pumpe zu einem entscheidenden Faktor für die Wettbewerbsfähigkeit von High-End-Fahrzeugmodellen.

In den letzten Jahren sind die Anforderungen der Verbraucher an die NVH-Leistung von Fahrzeugen immer strenger geworden, und internationale Normungsorganisationen (wie ISO) sowie nationale Vorschriften haben die Grenzwerte für Geräusche im Innenraum schrittweise verschärft. 

Vor diesem Hintergrund ist das NVH-Verhalten von elektrischen Wasserpumpen nicht nur eine technische Herausforderung, sondern ein Schlüssel für die Fahrzeugherstellung, um eine Produktdifferenzierung zu erreichen und den hohen Anforderungen der Nutzer speziell im High-End Segment gerecht zu werden.

Die NVH-Optimierung von elektrischen Wasserpumpen ist jedoch mit der Komplexität multiphysikalischer Kopplungen verbunden: Elektromagnetische Erregung des Motors, strömungsinduzierte Schwingungen des Laufrads, Lagervibrationen und Strukturresonanzen sind miteinander verflochten und erfordern eine interdisziplinäre gemeinsame Analyse (z. B. elektromagnetisch-mechanisch-fluid Kopplungssimulation), um die Ursachen genau zu identifizieren und wirksam zu unterdrücken.

Abbildung 1 zeigt ein detailliertes Modell einer elektrischen Wasserpumpe. Die detaillierte NVH-Analyse dieses Modells einer elektrischen Wasserpumpe wird durch die Kombination von elektromagnetischer Simulation, Strömungsberechnung, Dynamiksimulation und akustischer Simulation durchgeführt. Der spezifische Analyseprozess ist wie folgt:

Schritt 1: AVL E-Motor Tool™

Elektromagnetische Simulation → Berechnung der Statorkräfte und des Rotordrehmoments

Schritt 2: CFD

3D-Computational Fluid Dynamics → Berechnung der Strömungsfelder und der Druckverteilung auf Bauteilen

Schritt 3: MBD

Mehrkörperdynamikmodell → Integration der Erregungsquellen aus Schritt 1 und 2 unter Berücksichtigung der Impeller- und Motorrotordynamik (einschließlich Gleitlagereigenschaften)

Schritt 4: EAC

Aeroakustische Geräuschberechnung → Akustische Simulation mit EXCITE Acoustics

Mit dem Geometrie-Assistent-Modul in AVL E-Motor Tool™ (EMT) können Benutzer ein 2D E-Motormodell basierend auf geometrische Eingabe oder importierten CAD-Daten definieren ,Materialeigenschaften zuweisen und die Vernetzung durchführen. In Kombination mit dem Modell-Assistent-Modul können elektromagnetische Feldberechnungen für den Motor unter verschiedenen Drehzahl- und Drehmomentbedingungen durchgeführt werden. Der gesamte Prozess ist bequem und effizient.

Das aktuelle Modellmotor hat 7 Polpaare, 42 Statorzähne und ist als PMSM mit verteilten Einzelwicklungen aufgebaut. Die elektromagnetischen Berechnungsergebnisse des Motors sind in Abbildung 3 unten dargestellt.

AVL FIRE™ M ist eine kommerzielle 3D-CFD-Simulationssoftware, die u.a. auch eine Immersed-Boundary Implementierung (in FIRE „Embedded Body“ genannt) beinhaltet. Diese erlaubt in vielen Fällen Strömungsprobleme schnell und mit minimalem Aufwand zu simulieren, ohne signifikante Einbußen bei der Ergebnisgenauigkeit in Kauf nehmen zu müssen. Die Implementierung in FIRE erfordert hierbei keine Berücksichtigung von bewegten Bauteilen bei der Vernetzung.  

Stattdessen wird ein einfaches, typischerweise kartesisches Hintergrundnetz erstellt, welches das Berechnungsgebiet komplett umschließt. Anschließend werden die Teile des Hintergrundneztes die außerhalb der Berechnungsgebiets liegen ausgeblendet. Gleiches geschieht für alle Teile (embedded bodies), bewegt oder nicht, innerhalb des Berechnungsgebietes. Die Fluid-Festkörper-Grenzen werden durch numerische Methoden identifiziert. Dadurch eignet sich diese Methode besonders zum Diskretisieren von Berechnungsgebieten mit komplexen Grenzen und/oder mit Teilen, die einer komplizierten Bewegungsvorschrift folgen. Um die Strömung um die eingebetteten Objekte bestmöglich abzubilden, wurden die Lösungsprozedur für die Navier-Stokes-Gleichungen um eine spezielle Gradientenberechnung und Behandlung der Randbedingungen an den Fluid-Festkörper-Grenzflächen erweitert. 

Im aktuellen Beispiel wird bei der Berechnung sowohl der Fluid- als auch im Festkörperbereich berücksichtigt. Dadurch muss der Wasserpumpenrotor nicht aufwändig vernetzt werden. Das ermöglicht eine schnelle Berechnung der Strömungssituation und darauf aufbauend, der Belastungen auf den Rotor und die Gehäusewände.

Folgende Randbedingungen wurden für die Simulation definiert: Die Durchflussmenge am Einlass der Wasserpumpe beträgt 4,75 m³/h, die Wassertemperatur beträgt 25 °C, die Pumpendrehzahl 3500 U/min und der Ausgangsdruck 10 bar. Die Definition der Randbedingungen ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Basierend auf der CFD-Berechnung der Druckverteilung auf den Pumpenschaufeln werden das Drehmoment und die Kräfte am Pumpenlaufrad bestimmt.
Dies geschieht in Kombination mit der in der folgenden Abbildung dargestellten Berechnungsmethode.
Mithilfe einer benutzerdefinierten Formel in der Software werden die Werte äquivalent umgerechnet.

Das umgewandelte Rotordrehmoment und die Kräfte sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Auf der Gehäuseoberfläche werden verschiedene Bereiche definiert, um den transienten Druck an verschiedenen Stellen abzubilden und auszugeben. Die spezifische Bereichsaufteilung und die Druckamplituden in den verschiedenen Bereichen sind wie folgt:

Einrichtung des Finite-Elemente-Modells

Das Dynamikmodell der elektrischen Wasserpumpe basiert auf AVL EXCITE™ M. Die wichtigsten im Modell berücksichtigten Bauteile sind das Wasserpumpengehäuse und der Rotor. Das Rotornetz und das reduzierte Modell sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Zu den spezifischen Hauptknoten des reduzierten Modells gehören der Lastangriffspunkt des Wasserpumpenschaufel, der EHD-Verbindungspunkt des vorderen Gleitlagers, die Lagerverbindungspunkte und der Motormittelpunkt. Die Modi der reduzierten .exb-Datei erfüllen die Analyseanforderungen.

Das gesamte Wasserpumpengehäuse ist ein linearisiertes Modell. Zu den spezifischen Hauptknoten des reduzierten Modells gehören die Druckbelastungsfläche der Wasserpumpe, der EHD-Verbindungspunkt des vorderen Gleitlagers, der Lagerverbindungspunkt und der Motorstatorverbindungspunkt. Die Modi der reduzierten .exb-Datei erfüllen ebenfalls die Analyseanforderungen. Da später im Dynamikmodell transiente Druckrandbedingungen angewendet werden müssen, muss während des Modellreduktionsprozesses ein „substructure load step“  hinzugefügt werden, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Gemeinsame Definition

Zu den wichtigsten nichtlinearen Kopplungselementen (Joint) in diesem Dynamikmodell gehören das vordere Gleitlager (EHD-Joint) und die Rollenlager-(RB-Joint) an beiden Enden des Motors. Basierend auf dem leistungsstarken Gleitlager-Analysemodul in EXCITE M kann nicht nur das Tragverhalten des Gleitlagers genau berücksichtigt werden, sondern es können auch potenzielle Verschleißrisiken des Gleitlagers bewertet werden.

Load Application

Die Lasten im Modell umfassen die Radialkraft, Axialkraft und das Drehmoment des Wasserpumpenrotors, den Wanddruck des Wasserpumpengehäuses und die elektromagnetische Anregungen des e-Motors. Die spezifische Lastaufbringung ist wie folgt:

Dynamik-Ergebnisse

Die Simulation betrachten den Drehzahlenbereich von 1000 U/min bis 3500 U/min . Die Simulationsergebnisse zeigen Stabilität bei allen Drehzahlen. Die Lagerkräfte im üblichen Bereich, und während des Betriebs treten keine Lagerschläge auf.

Der maximale Kontaktdruck im vorderen Gleitlager liegt bei ca.75 MPa. Die Verteilung des Kontaktdrucks des Lagers deutet auf eine Gefahr von Teilverschleiß am vorderen Ende des Lagers hin.

Die folgende Abbildung zeigt die Ergebnisse der Beschleunigungssensors an den relevanten Knotenpunkten auf der Oberfläche des Motor- und Wasserpumpengehäuses. Da der vordere Wasserpumpenrotor über 6 Schaufeln verfügt, entsteht während des Betriebs eine harmonische Komponente 6. Ordnung im Flüssigkeitsdruck, was zu größeren Schwingungsamplituden der 6., 12., 18., 24. und 30. Ordnung auf der Gehäuseoberfläche führt. Gleichzeitig führt die Anwendung der elektromagnetischen Erregung des Motors auch zu größeren Schwingungsamplituden der 42. und 84. Ordnung des E-Motors.

In Kombination mit den Schwingungsergebnissen an der Oberfläche des Pumpengehäuses gibt es ein signifikantes Resonanzband zwischen 600 und 700 Hz. Basierend auf der Modalanalyse des Wasserpumpensystems sind nahe 636 Hz und 648 Hz deutliche Gehäusesystemmoden vorhanden. Diese Erkenntnisse ermöglichen nun gezielte strukturelle Verbesserungen im Gehäuse um ein optimales NVH verhalten zu optimieren.  

Die folgende Abbildung zeigt die Oberflächenschnellen verschiedener Hauptordnungen der elektrischen Wasserpumpe bei 3500 U/min. Insgesamt ist die Schwingungsamplitude des Wasserpumpengehäuses größer als die des Motorgehäuses.

Die folgende Abbildung zeigt einen Vergleich der Ergebnisse nach Entfernen der Anregung aus der Fluidströmung. Optisch ist bei alleiniger Berücksichtigung der E-Motor Anregung die Schwingungsamplitude an der Oberfläche des Wasserpumpengehäuses deutlich geringer als bei Berücksichtigung aller Anregungen.

Die Geschwindigkeitsverteilung auf der Gehäuseoberfläche zeigen deutliche Veränderungen in der Amplitude der Hauptordnungen der Wasserpumpenanregung. Die Gehäuseschwingung nimmt deutlich zu, wenn die Wasserpumpenlastanregung angelegt wird, während die Schwingungsveränderungen auf der Gehäuseoberfläche für die hochfrequenten Hauptordnungen des Motors relativ gering sind.

EXCITE Acoustic basiert auf dem WBT-Algorithmus und benötigt kein separates Rechennetz. Dies ermöglicht eine  schnelle Berechnung das abgestrahlte Schallfeld des Gehäuses aus den Oberflächenschnellen der Gehäuseoberfläche.

Die folgende Abbildung zeigt den Schalldruckpegel für sechs Mikrofone und die Konturen des abgestrahlten Schallfeldes. Der höchste Schalldruckpegel für verschiedene Mikrofone liegt nahe bei 70 dB.  Die 6. Ordnung zeigt den höchsten Schalldruckpegel.

Durch die Kombination der AVL SDT-Simulationsplattform können die elektromagnetische Lastberechnung der elektrischen Wasserpumpe, die Strömungsfeldanalyse der Wasserpumpe, die Dynamiksimulation des mechanischen Systems und die Analyse des abgestrahlten Schallfeldes durchgeführt werden. Dies bietet eine vollständige Simulation-Toolchain für die NVH-Simulation von elektrischen Pumpen.