Acoustic Modeling of Electrical Drives. Noise and Vibration Synthesis based on Force Response Superposition

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1 Acoustic Modeling of Electrical Drives Noise and Vibration Synthesis based on Force Response Superposition Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom-Ingenieur Matthias Bösing aus Duisburg Berichter: Univ.-Prof. Dr. Ir. Dr. h. c. Rik W. De Doncker Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Kay Hameyer Tag der mündlichen Prüfung: 12. September 2013

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3 Matthias Bösing Acoustic Modeling of Electrical Drives Noise and Vibration Synthesis based on Force Response Superposition

4 Bibliographic information published by the Deutsche Nationalbibliothek The Deutsche Nationalbibliothek lists this publication in the Deutsche Nationalbibliografie; detailed bibliographic data are available in the Internet at Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2013) AACHENER BEITRÄGE DES ISEA Herausgeber: Univ.-Prof. Dr. ir. Dr. h.c. Rik W. De Doncker Leiter des Instituts für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe der RWTH Aachen (ISEA) Aachen Copyright Shaker Verlag 2014 All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise, without the prior permission of the publishers. Printed in Germany. ISBN ISSN X Shaker Verlag GmbH P.O. BOX D Aachen Phone: 0049/2407/ Telefax: 0049/2407/ Internet: info@shaker.de

5 Danksagung Das Themenfeld Antriebsakustik erreichte das Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) der RWTH Aachen durch die diesbezüglich notorische Geschaltete Reluktanzmaschine. Jens Fiedler und Knut Kasper gilt mein Dank, da sie mit ihren Arbeiten hier den Boden bereitet haben. Industriepartner aus dem Automobilbereich schenkten dem Institut nun ihr Vertrauen, sie auch bei akustischen Fragestellungen zu Permanentmagnet- Synchronmaschinen zu unterstützen. Dies ermöglichte mir, während meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter von 2007 bis 2012 die vorliegende Arbeit zu verfassen. Ich danke Herrn Professor De Doncker für die Betreuung dieser Arbeit und die großen Freiräume für eigenständige wissenschaftliche Arbeit. Herrn Professor Hameyer gilt mein Dank für die Übernahme des Koreferats. Die inspirierende Atmosphäre des ISEA und der vielfältige Austausch mit Arbeitskollegen und Studenten aller im Haus vertretenen Teildisziplinen hat wesentlich zum Gelingen der Arbeit beigetragen. Besten Dank euch allen! Meine Heimat im ISEA war die Antriebsgruppe. Christian Carstensen ermunterte mich früh zu dieser Arbeit und Helge Brauer war mir in den Anfangsjahren ein treuer Bürokollege. Martin Hennen unterstützt von Claude Weiss und Raphael Wegmann danke ich für das schöne Bahnrad, dessen Modellierung mir viel Freude bereitete. Für die Schaltfrequenzen war die Diplomarbeit von Markus Nießen sehr wertvoll, für die Schrägung jene von Thomas Schniedertöns. Dass Timo Schoenen eine sehr harmonische Maschine unterkam, inspirierte mich zum entsprechenden Maschinemodell. Mit Daniel van Treek verbrachte ich etliche Zeit mit Fachbuchlektorat und Elektroautobau. Bei letzterem danke ich Michael Ritter für die Brücke, die seine Diplomarbeit baute. Mit großer Unterstützung der Werkstätten brachten Tobias Lange, Stephan Koschik, Martin Christoph, Martin Rosekeit und Silvano Taraborrelli den Wagen auf die Straße, während ich mich wieder der vorliegenden Arbeit widmete. Andreas Hofmann fühlte jeder Theorie auf den Zahn und Mareike Schenk unterstütze mich durch ihre Diplomarbeit. Beiden gilt zudem mein Dank für das Korrekturlesen der Arbeit. Über das ISEA hinaus gilt mein Dank all jenen Kollegen und Wissenschaftlern, die ich im Laufe der Jahre im Inund Ausland traf, für den fachlichen und persönlichen Austausch und die stets neuen Impulse für meine Arbeit. Schließlich danke ich Familie und Freunden für steten Rückhalt und Ermunterung. Ludwigsburg, im Dezember 2013 Matthias Bösing v

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7 Deutsche Kurzfassung In der Arbeit wird eine universelle Modellierungsmethodik für das akustische Verhalten elektrischer Antriebe vorgestellt. Ziel ist es, die Qualität der akustischen Modellierung elektrischer Antriebe zu verbessern und gleichzeitig ihre Anwendung zu vereinfachen und einer breiten Anwendergruppe zugänglich zu machen. Die Methodik basiert auf einem Systemsimulations- und einem Schwingungssyntheseansatz. Mittels des vorgestellten Verfahrens kann eine umfassende und realitätsnahe Modellierung und Auralisation der elektromagnetischen Geräuschanregung routinemäßig bei der Auslegung von elektrischen Antriebssystemen erfolgen. Zum Einsatz kommt ein zweistufiger Prozess. Zunächst werden offline automatisiert Kraftanregungskennfelder sowie Strukturschwingungsantworten berechnet. Hieran schließt sich als interaktiver Teil eine benutzergesteuerte Systemsimulation mit Kraftinterpolation und anschließender Schwingungssynthese an. Dieser Prozess erlaubt die Nutzung komplexer numerischer 3-D-Strukturmodelle bei gleichzeitig recheneffizienter Simulation beliebiger Betriebspunkte. Dabei lassen sich zudem Regelungseinflüsse, Raumharmonische und Schaltfrequenzkomponenten berücksichtigen. Kern der effizienten Synthese ist ein Superpositionsansatz. Für die maschineninhärenten Kraftanregungsformen werden Strukturschwingungsformen und -antworten vorherberechnet. Diese werden bei der Synthese mit den aus der Systemsimulation gewonnenen Kraftanregungsverläufen als Skalierungsfaktoren überlagert. Besonderes Augenmerk gilt der räumlichen Kraftzerlegung, so dass die zugrundeliegenden Basisfunktionen für die Aufbringung in strukturdynamischen Modellen der elektrischen Maschine geeignet sind. Der Schwingungssyntheseprozess ist für alle Maschinentypen und Bauformen geeignet, einschließlich geschrägter, Axialfluss-, Transversalfluss- oder Außenläufermaschinen. Maschinenund Luftspaltkraftmodelle werden für permanenterregte Synchron- und Geschaltete Reluktanzmaschinen erarbeitet und in die Systemsimulation eingebettet. Veranschaulicht und verifiziert wird die Methodik anhand verschiedener Beispielantriebe. Dabei handelt es sich um permanenterregte Synchronmaschinen für Elektro- und Hybridfahrzeuge und um eine Geschaltete Reluktanzmaschine (GRM) für Industrieanwendungen. Zur Demonstration der Anwendbarkeit der eingeführten Methodik auch auf spezielle Maschinen und Betriebszustände wird abschließend das akustische Verhalten eines Außenläufer-GRM- Traktionsantriebs mit verteiltem Umrichter in verschiedenen Fehlerzuständen synthetisiert. vii

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9 Contents 1 Introduction 1 2 Fundamentals Noise in electrical machines Electric traction drives in vehicles Noise sources in electrical machines Basic acoustic terms and definitions Radiated sound power Radiation efficiency Mean-square surface normal velocity Signal description Signal characteristics Fourier series Machines considered in this work Modeling electrical machines System simulation of electrical drives Fundamental machine equations Stator voltage equation Flux linkage relationship Torque production and energy conversion Machine models for the system simulation Permanent magnet machine models Switched reluctance machine models Machine operation Operation of permanent magnet synchronous machines Operation of switched reluctance machines Electromagnetic FE simulations Result quantities Simulation procedure for PMSMs Simulation procedure for SRMs Air-gap force decomposition and analysis Air-gap force decomposition Spatial and temporal composition of air-gap forces PMSM force composition SRM force composition Discussion of PMSM and SRM forces Further excitation shapes and tonal components ix

10 x Contents 4.3 Domains for air-gap force spatial decomposition Converting the air-gap force (sine) to the continuous tooth force (tsine) Converting the air-gap force (sine) to the constant tooth force (tooth) Spatial transfer functions Comparing sine, tsine, and tooth forces over space and time Comparing the forces in the spatial frequency domain D analysis of shape 0 forces in skewed PMSMs Simulation procedure for skewed PMSMs Analytical description of discrete skew Simulation results and analysis for a discretely skewed machine (PM-C) Conclusion on the 2-D force analysis in skewed machines Force models for time domain simulations Force model for permanent magnet machines Parametrization with the spatially decomposed air-gap force Time-domain interpolation of the air-gap force Frequency domain evaluation of the air-gap force Forces in switched reluctance machines SRM tooth forces and their spatial decomposition SRM force superposition and interpolation Rotor forces Forces on PMSM rotors Spatially distributed forces on SRM rotors Determining SRM rotor tooth forces from stator tooth forces Frequency composition of SRM stator and rotor tooth forces Forces in the third dimension Forces depending on the axial position Modeling skewed PMSMs Modeling axially segmented SRMs Forces acting in the axial direction Structural response calculation and vibration synthesis Fundamentals of structural analysis and vibration synthesis Modal analysis Harmonic response analysis Modal superposition harmonic analysis Damping in a modal superposition harmonic analysis Linear elastic materials mass and stiffness Force responses characteristic structural transfer functions Formalism of the force response calculation Implementation of the force response calculation Force response results for sine, tsine, and tooth force on test models Vibration synthesis the result superposition Basic concept of the response superposition Synthesizing the operational deflections Synthesizing the element dependent surface normal velocity

11 Contents xi Synthesizing the mean-square surface normal velocity Implementation of the vibration synthesis process Comparing the vibration synthesis process with literature Alternatives and future extensions Force calculation Refining the structural models Measuring transfer functions Analytical structural models Extension to radiation Application of the acoustic modeling process Permanent magnet synchronous machine Simulation and measurement setup Currents Force excitation Structural response Vibrations Operational deflections Skewed permanent magnet synchronous machines Skew slice arrangements and simulation setup Influence of the skew arrangement Operational deflections with and without skew Remarks on the vibration synthesis for machine PM-D Ineffectiveness of skew at full load for machine PM-C Summary on the vibration synthesis for skewed PMSMs PMSM application studies Shape 0 force ripple mitigation via the feeding currents Operation with different switching frequencies and modulators Switched reluctance machine Simulation and measurement setup Run-up spectrogram Operational deflections Reduced modal base and force excitation Outer rotor switched reluctance machine Increased fault tolerance due to distributed inverter Simulation and measurement setup Normal operation Operation with module faults Summary on the vibration synthesis for an outer rotor SRM Summary and conclusions 159 A Appendix 163 A.1 Investigated machines parameters A.2 Space vector conventions

12 xii Contents Acronyms 169 Symbols 173 Bibliography 177 Curriculum vitae 189