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Simulation

Wie sich Geräusche von Elektro­motoren im Auto simulieren lassen

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Im Fall der neu entwickelten Methodik wurde die tatsächliche Geometrie des Stators einschließlich der Nuten zwischen den Zähnen betrachtet. Bei der bisher oft verwendeten Variante wurden dagegen ausschließlich die Kräfte am Luftspalt berücksichtigt, was dem vereinfachten Verfahren aus der Drehmomentenberechnung entspricht.

In der Simulation wurde die Maschine mit 1200 U/min einmal bei Volllast mit 50 kW und einmal mit 25 kW Leistung gefahren. Dabei ergab sich mit dem neu entwickelten Verfahren eine abgestrahlte Schallleistung von 42,27 mW bei Volllast und 26,46 mW bei Teillast. Mit dem üblichen Standardverfahren lagen die errechneten Werte hingegen rund 33% beziehungsweise 34% niedriger. In der Praxis würde die vereinfachte Methode daher zur falschen Annahme einer geringeren Auswirkung des Elektromagnetismus auf die Schallabstrahlung führen, worauf unter Umständen konstruktive Fehlentscheidungen folgen würden.

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Zudem ergaben weitere Tests mit anderen Lastfällen und Geometrien, dass sich keine Systematik in der Ergebnisungenauigkeit feststellen lässt. Das heißt, selbst mit dem Wissen um die Abweichung beim vereinfachten Verfahren lässt sich diese nicht als empirischer Korrekturwert einberechnen. Für eine realistische Darstellung der Schallabstrahlung als Basis der Produktkonzeption ist das neu entwickelte Simulationsverfahren demnach unersetzlich.

Akustik-Optimierung ohne Leistungseinbußen

Vor diesem Hintergrund wird das neue Verfahren inzwischen bereits in der Praxis genutzt. Die Ingenieure von ARRK|P+Z Engineering speisen mit den Werten aus der Berechnung einen dafür entwickelten Prozess zur Gehäuse-Optimierung hinsichtlich der akustischen Eigenschaften. Da die Außenseite der E-Maschine für die Schwingungen und den Schall als abstrahlende Fläche entscheidend ist, bietet sie den besten und einfachsten Ansatzpunkt für Anpassungen, um die gewünschten akustischen Eigenschaften zu erreichen.

Dank des differenzierteren Blicks auf die verschiedenen Anregungen lassen sich dazu jetzt Lösungen finden, die sich nicht einmal zwangsläufig negativ auf Gewicht oder Leistung auswirken. „Eine sehr effiziente Stellschraube ist beispielsweise die Verrippung oder sogar der Wasserkühlmantel vieler Motoren“, berichtet Dr. Jung. „Indem eine optimale Verrippung durch den bei P+Z Engineering entwickelten Optimierungsprozess erzeugt wird, kann die akustische Abstrahlung entscheidend reduziert werden. Bei gängigen Verfahren der manuellen Optimierung wird dementgegen oft lediglich eine Frequenzverschiebung erreicht, ohne den Gesamtpegel der akustischen Abstrahlung reduzieren zu können.“

Die interdisziplinäre Arbeitsweise des Entwicklungsdienstleisters macht sich bezahlt, indem die Möglichkeiten, Erkenntnisse und Anforderung verschiedener Bereiche – wie die theoretische Betrachtung des Elektromagnetismus und die tatsächliche konstruktive Auslegung eines Bauteils – ineinander greifen.

„Das entwickelte Berechnungsverfahren gibt uns hier ein wertvolles Werkzeug an die Hand, das wir dem jeweiligen Projekt angepasst einsetzen können“, so der Teamleiter Simulation Antrieb. Dazu gehört unter anderem die Einordnung der E-Maschine in die jeweilige Umgebung – die unter Umständen gewisse Frequenzen ohnehin ausreichend abdämpft.

„Selbst wenn die Simulation ergibt, dass die Ursache für das unerwünschte Surren oder ähnliches nicht in den magnetischen Kräften liegt, ist das für uns ein Gewinn, weil wir so die auslösenden Einflüsse eingrenzen können – viel besser als es Praxistests mit vertretbarem Aufwand aktuell darstellen könnten.“

* Peter Huck ist Berechnungsingenieur mit Schwerpunkt Elektromagnetik, Dr. Daniel Jung ist Teamleiter Simulation Antrieb, beide bei ARRK|P+Z Engineering.

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