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Dorothea Friedrich
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1 Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen Praxisforum Elektrische Antriebstechnik, Würzburg, , Dr.-Ing. Jürgen Wibbeler, CADFEM GmbH Berlin J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 1

CADFEM Simulation ist mehr als Software PRODUKTE Software und

Know-How-Transfer CADFEM in D, A, CH: 1985 gegründet 2.

Millionen Euro Umsatz ANSYS Elite Channel Partner J.

2 CADFEM Simulation ist mehr als Software PRODUKTE Software und IT-Lösungen SERVICE Beratung, Support, Engineering WISSEN Know-How-Transfer CADFEM in D, A, CH: 1985 gegründet Kunden 11 Standorte 220 Mitarbeiter (weltweit: >350) 65 Millionen Euro Umsatz ANSYS Elite Channel Partner J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 2

CADFEM Simulation ist mehr als Software CADFEM ANSYS Simulation Conference: (jährlich) Anwendervorträge Kompaktseminare Ausstellung 10.-12.

3 CADFEM Simulation ist mehr als Software CADFEM ANSYS Simulation Conference: (jährlich) Anwendervorträge Kompaktseminare Ausstellung Oktober 2018 in Leipzig J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 3

4 Elektrische Antriebe als Geräuschquellen Wikipedia Elektromobilität Bahnantriebe Wikipedia Schiffsantriebe Energietechnik Schottel Industrieantriebe Haushalt, Lüfter Universalmotoren, J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 4

Magnetische Flussverteilung Strömung Abtrieb

Magnetische Sättigung Strom-Zeit-Verläufe,

Luftspaltkräfte Courtesy of Elektromotorenwerk

5 Elektrische Antriebe als Geräuschquellen Geräuschursachen im elektrischen Antrieb: Magnetische Flussverteilung Strömung Abtrieb Reluktanz, Drehwinkel Kühlung Getriebe usw. Magnetische Sättigung Strom-Zeit-Verläufe, Umrichter Schwerpunkt der vorgestellten Methode Luftspaltkräfte Courtesy of Elektromotorenwerk Grünhain GmbH J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 5

6 Elektrische Antriebe als Geräuschquellen Gehäuseschwingung, Schallemission: Schalldruckpegel J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 6

7 Gliederung Prinzip der FEM-basierten Berechnung des Geräuschpegels Elektromagnetische FEM-Simulation Mechanische FEM-Schwingungsberechnung und Körperschall Luftschallberechnung Ausblick J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 7

8 Titelmasterformat Prinzip der FEM-basierten durch Berechnung Klicken bearbeiten des Geräuschpegels J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 8

9 Prinzip der FEM-basierten Berechnung des Geräuschpegels Von der elektromagnetischen Anregung zum Geräuschpegel: Elektromagnetische Analyse DFT Harmonische Schwingungsanalyse Anregungskräfte Schwingung, Körperschall, Wasserfall-Plot Wasserfall-Diagramm Simulation über Drehzahlbereich! J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 9

10 Prinzip der FEM-basierten Berechnung des Geräuschpegels Aufwand für Labormessung (zum Vergleich): Wasserfalldiagramme werden beim Hochlauf des Motors generiert. Ausrüstung: Beschleunigungssensoren Mikrofone Spektrumanalysator Schalltoter Raum wenige Minuten Aufnahmedauer J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 10

Drehzahlwerte 30 Drehzahlordnungen = 1200 Einzelsimulationen 1 min je

Ein Simulationspunkt je Drehzahl und Ordnung FEM-Methoden mit

11 Prinzip der FEM-basierten Berechnung des Geräuschpegels Simulationsaufwand für ein Wasserfall-Diagramm: Beispiel: 40 Drehzahlwerte 30 Drehzahlordnungen = 1200 Einzelsimulationen 1 min je Simulation Gesamt 20 h! Ein Simulationspunkt je Drehzahl und Ordnung FEM-Methoden mit minimiertem Aufwand erforderlich für alle Abschnitte des Workflows J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 11

12 Titelmasterformat Elektromagnetische FEM-Simulation durch Klicken bearbeiten J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 12

Kraftdichteverteilung aus Maxwell'schem Spannungstensor: 13 ) ( ) ( ) ( 2 1 2 1 2 1 H B B H B H B H

13 Elektromagnetische FEM-Simulation J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen Berechnung der magnetischen Kraftdichteverteilung: Kraftdichteverteilung aus Maxwell'schem Spannungstensor: 13 ) ( ) ( ) ( H B B H B H B H B H H B B H B H B H B H H B B H z z y z x z z y y y x y z x y x x x Kraftdichteverteilung 2 m N ] [ n f Normalenvektor n B-Feld

14 Elektromagnetische FEM-Simulation Erregerkräfte an den Ständerzähnen (Zeitbereich): M z 2D F z 3D M rad M z F rad Ftan F rad M tan Ftan Schwerpunktbezogene Kraft-/Momentkomponenten je Polfläche J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 14

Elektromagnetische FEM-Simulation Lösung für Motoren mit

Lastangriffspunkt je Ständerzahn mit Schrägung:

Multi-slice-Technik") mit Schrägung: 3D-Elektromagnetik

15 Elektromagnetische FEM-Simulation Lösung für Motoren mit Schrägung: Kraftdichte ohne Schrägung: ein Lastangriffspunkt je Ständerzahn mit Schrägung: Lastangriffspunkte in mehreren Ebenen ("2D Multi-slice-Technik") mit Schrägung: 3D-Elektromagnetik J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 15

Torque [Nm] Elektromagnetische Simulation Berechnung nur für ausgewählte Drehzahl-Stützpunkte: Reduktion des Aufwandes für EM-Simulationen n 3 n n 1 n 2 3 2.5 2 1.5 1 0.

16 Torque [Nm] Elektromagnetische Simulation Berechnung nur für ausgewählte Drehzahl-Stützpunkte: Reduktion des Aufwandes für EM-Simulationen n 3 n n 1 n Speed [rpm] n 3 n 4 n 5 Motorkennlinie Spektraler Index i: Interpolation der Anregungskräfte n 2 Re, Im 5 i Erregungsspektrum für n 2 i n 1 Erregungsspektrum für n 1 J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 16 f

Elektromagnetische Simulation Bewertung der Ergebnisqualität durch Kraftwellenzerlegung: Zeitbereich,

m0 n0 Fˆ k F 10 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001 Ftan Mindere Qualität Starke numer. Störung! 10 1 0.1 r00.

Komponenten r0 r4 r8 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 Drehzahlordnung r0

17 Elektromagnetische Simulation Bewertung der Ergebnisqualität durch Kraftwellenzerlegung: Zeitbereich, Kraftfunktionen aller Zähne im Polsektor 2D-Fouriertransformation: M 1N 1 mk nl 2i 2i,, e M e N l m n m0 n0 Fˆ k F Ftan Mindere Qualität Starke numer. Störung! r00.01 r r Ftan Gute Qualität Charakter. Komponenten r0 r4 r Drehzahlordnung r0 Wellenindex r0 J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 17

18 Titelmasterformat Mechanische FEM-Schwingungsberechnung durch Klicken bearbeiten und Körperschall J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 18

Mechanische Schwingungsberechnung Harmonische

Anregungen Gesamtschwingung als Linearkombination

Harmonisch M u( n,i) c ( n,i) m1 m u m u komplexe

Eigenvektor m am Ort n Drehzahl, ω Kreisfrequenz M

19 Mechanische Schwingungsberechnung Harmonische Schwingungsanalyse mit Modensuperposition: Anregungen Gesamtschwingung als Linearkombination von Eigenmoden ANSYS Projektstruktur: Modal Harmonisch M u( n,i) c ( n,i) m1 m u m u komplexe Amplitude an beliebigem Ort u m Auslenkung Eigenvektor m am Ort n Drehzahl, ω Kreisfrequenz M Anzahl einbezogener Moden primäres Ergebnis: komplexe modale Amplituden c m ("modale Koordinaten") J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 19

Elapsed time [h] Mechanische Schwingungsberechnung Zeitvergleich: 25

Zeitvorteil durch Rechnung im niedrigdimensionalen Raum der modalen

000 Knoten 770.000 Unbekannte 200 Eigenmoden 40 x 30 Frequenzpunkte J.

20 Elapsed time [h] Mechanische Schwingungsberechnung Zeitvergleich: Harmonic Response Modal 5 0 Full Harmonic Mode Superpos. Zeitvorteil durch Rechnung im niedrigdimensionalen Raum der modalen Koordinaten c m Beispielrechnung: Finite Elemente Knoten Unbekannte 200 Eigenmoden 40 x 30 Frequenzpunkte J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 20

Mechanische Schwingungsberechnung Körperschall Equivalent Radiated Power (ERP): Integration der Schnelleamplitude über schwingende Oberfläche P ERP 1 vˆ 2 n c 2 da Verzicht auf Luftschallberechnung

21 Mechanische Schwingungsberechnung Körperschall Equivalent Radiated Power (ERP): Integration der Schnelleamplitude über schwingende Oberfläche P ERP 1 vˆ 2 n c 2 da Verzicht auf Luftschallberechnung Berechnungsmöglichkeit direkt aus modalen Koordinaten c m und Eigenmoden Schnell! Naturgemäß Abweichung zur tatsächlichen Abstrahlleistung J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 21

Import der Anregungen Drehzahlsweep (harmonische Analyse) ERP-Berechnung,

22 Mechanische Schwingungsberechnung Integration des Workflows Electric Drive Acoustics inside ANSYS: Erweiterung für ANSYS Mechanical FEM-Software Funktionen: Import der Anregungen Drehzahlsweep (harmonische Analyse) ERP-Berechnung, Wasserfall J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 22

23 Titelmasterformat Luftschallanalyse durch Klicken bearbeiten J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 23

Luftschallanalyse Ergänzung der ERP-Werte mit Luftschallanalyse an kritischen Betriebspunkten: n Identifikation im Wasserfall-Plot ERP [db] Expansion der

24 Luftschallanalyse Ergänzung der ERP-Werte mit Luftschallanalyse an kritischen Betriebspunkten: n Identifikation im Wasserfall-Plot ERP [db] Expansion der Schwingung Tats. Abstrahlung durch Luftschallanalyse f (optional) J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 24

[db] 1500 600 72.0 66.8 5500 1467 65.4 63.6 600 Hz 1467 Hz J.

25 Luftschallanalyse Vergleich für ausgewählte Betriebspunkte: Vergleich ERP Luftschallpegel 3D-Schallfelddarstellung n [rpm] f [Hz] ERP [db] Air-borne [db] Hz 1467 Hz J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 25

26 Titelmasterformat Ausblick durch Klicken bearbeiten J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 26

Ausblick Berechnungsverfahren produziert Wasserfalldiagramm in

100) Asynchronmotor: langes, schlupfabhängiges periodisches

27 Ausblick Berechnungsverfahren produziert Wasserfalldiagramm in kurzer Zeit. Herausforderungen: Synchronmotor: kurzes, definiertes periodisches Intervall wenige Spektrallinien in der Anregung (< 100) Asynchronmotor: langes, schlupfabhängiges periodisches Intervall dichte Spektren mit mehreren 100 Linien! J. Wibbeler: Wie laut wird mein Motor sein? FEM-basierte Simulation von Motorgeräuschen 27

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