Sebbene i veicoli elettrici siano molto più silenziosi dei tradizionali veicoli a benzina o diesel, non sono completamente silenziosi. Alcuni veicoli elettrici producono rumore dal motore elettrico, dai pneumatici e dal vento. Questo rumore può comunque contribuire all’inquinamento acustico, soprattutto nelle aree urbane.
Questo articolo introduce una metodologia di simulazione del sistema per impostare un modello dedicato all’analisi precoce del rumore e delle vibrazioni. La “Electric Machine Noise and Vibration App” di Simcenter Amesim è uno strumento di postprocessing in grado di stimare le forze elettromagnetiche, le vibrazioni e il rumore irradiato all’interno di un motore elettrico, a partire da un modello elettromagnetico creato in Simcenter Motorsolve.
Rumore generato da un azionamento elettrico
I motori elettrici possono generare rumore da due fonti principali: la coppia di cogging e il rumore degli avvolgimenti. La coppia di cogging è generata dall’interazione tra i magneti permanenti del rotore e gli avvolgimenti dello statore a causa del loro leggero disallineamento. Ciò si traduce in una forza pulsante che produce rumore. Il rumore di avvolgimento, invece, è prodotto dalla vibrazione degli avvolgimenti dello statore quando vengono eccitati dalla corrente elettrica. La causa è la forza di Lorentz, prodotta dall’interazione tra la corrente elettrica negli avvolgimenti e il campo magnetico del rotore.
Allo stesso tempo, il controllo dell’inverter svolge un ruolo significativo nell’influenzare il rumore generato dai motori elettrici. L’inverter, un componente cruciale della catena cinematica dei veicoli elettrici, regola il flusso di elettricità dalla batteria al motore, controllandone la velocità, la coppia e le prestazioni complessive. Tuttavia, il suo funzionamento a commutazione, caratterizzato da rapidi cicli on-off, può introdurre emissioni acustiche indesiderate. Il meccanismo principale responsabile del rumore indotto dall’inverter è costituito dalle armoniche di commutazione. Durante il processo di commutazione, l’inverter genera impulsi elettrici ad alta frequenza che possono irradiare l’ambiente circostante. Queste armoniche possono manifestarsi come rumore udibile, soprattutto ad alte frequenze di commutazione.
L’applicazione E-noise in breve
L’applicazione “Electric Machine Noise and Vibration App” è stata progettata per valutare in modo rapido e accurato le prestazioni NVH delle macchine. Il processo di valutazione del rumore dell’azionamento elettrico consiste in:
- esecuzione di un modello di azionamento elettrico Simcenter Amesim su un determinato scenario di carico
- valutare il rumore e le vibrazioni dell’azionamento dallo scenario simulato all’interno dell’applicazione e-noise
Dal modello di macchina sincrona a magneti permanenti PMSM con dipendenza spaziale che opera in varie condizioni di carico e dal campo magnetico nella tabella di ricerca dell’airgap, l’applicazione costruisce un modello di previsione delle forze elettromagnetiche nell’airgap. Le informazioni magnetiche provengono dai risultati della simulazione elettromagnetica di Simcenter Motorsolve.
L’applicazione crea un modello predittivo delle forze elettromagnetiche nell’airgap di una macchina sincrona a magneti permanenti (PMSM) che opera in varie condizioni di carico. A tal fine si utilizza una tabella di ricerca che contiene informazioni sul campo magnetico ottenute dai risultati della simulazione elettromagnetica di Simcenter Motorsolve.
La densità di forza derivata da questo modello viene poi applicata a un modello analitico e strutturale della forma complessiva della macchina. In questo modo, l’applicazione può prevedere i livelli medi di vibrazione della superficie esterna del motore. Questi livelli di vibrazione possono essere utilizzati per calcolare la quantità di rumore irradiato a una determinata distanza.
Le 4 fasi sono:
- Esportazione da Simcenter Motorsolve del file campo magnetico radiale e tangenziale dell’airgap .
- Esportazione da Simcenter Motorsolve dell’interfaccia Simcenter Amesim PMSM modelli di dipendenza spaziale per la simulazione a livello di sistema.
- Impostazione del sistema Modelli di azionamento elettronico PMSM di Simcenter Amesim compresi l’inverter e il controllore di coppia della macchina.
- Valutare la risposta acustica e vibrazionale della macchina con l’applicazione per il rumore e le vibrazioni delle macchine elettriche.
Questo processo è stato applicato a un’unità elettrica vicina al propulsore elettrico della Nissan Leaf.
Descrizione del propulsore elettrico in esame
Figura 1: Schizzo della demo
L’unità elettrica rappresentata in questa demo è simile al gruppo propulsore elettrico della Nissan Leaf.
Propulsore elettrico
Il gruppo propulsore elettrico utilizza componenti dinamici per la macchina elettrica, il convertitore e il controllo.
Le macchine elettriche utilizzate in questo studio hanno le seguenti caratteristiche principali, riassunte nella tabella seguente:
Leaf-like machine | |
---|---|
tipo di rotore | Magnete permanente interno (IPM) |
Tensione del circuito intermedio | 300 V |
Corrente efficace di base | 320 Braccia |
Coppia massima | 180 Nm |
Velocità di base | 4000 giri/min. |
Potenza a velocità base | 80 kW |
Numero di coppie di poli | 4 |
Avvolgimento | 3 fasi – avvolgimento a giro |
Numero di slot | 48 |
Primo ordine meccanico | 24 |
Secondo ordine meccanico | 48 |
Geometria |
Tabella 1: Caratteristiche principali della macchina elettrica a foglia
Le proprietà fisiche CAD e della macchina sono state definite utilizzando la soluzione di esportazione da Simcenter Motorsolve a Simcenter Amesim.
I parametri del modello Simcenter Amesim sono inseriti in un modello non lineare di una macchina a magnete permanente o a riluttanza con dipendenze spaziali. Questo sottomodello consente di simulare le prestazioni elettromagnetiche della macchina tenendo conto della saturazione magnetica e delle armoniche spaziali dovute alle fessure, alla configurazione degli avvolgimenti e alla forma del magnete.
Trasmissione
Il modello della trasmissione è costituito da una serie di inerzie e molle che consistono in:
- Inerzia del rotore
- Inerzia e rigidità dell’albero intermedio
- Alberi laterali
- Rigidità del pneumatico
- Inerzia della ruota
- Massa del veicolo
Questa scomposizione porta alle seguenti frequenze naturali per questa catena cinematica:
Frequenza (Hz) | |
---|---|
Modalità 1 | 9 |
Modalità 2 | 31 |
Modalità 3 | 2116 |
Tabella 2: Modalità della trasmissione
Esiste un riduttore a due stadi con un rapporto fisso di 9,3. Il primo stadio di questo riduttore comprende anche un’ipotesi di errore di trasmissione. Questo errore di trasmissione rappresenta le micro imperfezioni geometriche della coppia di ingranaggi e agisce come fonte di eccitazione armonica. L’ordine di questa eccitazione dipende dal rapporto della coppia di ingranaggi e dal numero di denti degli ingranaggi.
Nel nostro caso :
Processo di impostazione dell’analisi del rumore e delle vibrazioni – Simcenter Motorsolve
Tutti i passaggi dettagliati per impostare l’analisi del rumore e delle vibrazioni su questo esempio sono disponibili su un documento della Knowledge Base dedicato disponibile presso il nostro centro di assistenza.
Analisi del rumore e delle vibrazioni
Lo scenario del caso di carico è una rampa di velocità della macchina elettrica.
La figura seguente mostra l’applicazione del rumore e delle vibrazioni del PMSM una volta configurata la macchina elettrica di tipo Leaf:
Figura 3: Configurazione del motore elettrico a foglia
I due grafici seguenti mostrano le vibrazioni e la risposta acustica del motore Leaf-like:
Figura 4: Spostamento della foglia (sinistra) e pressione acustica irradiata (destra)
I due grafici sottostanti mostrano il contributo della forza del motore a forma di foglia alla risposta acustica e alle vibrazioni:
Figura 5: Leaf-like force shape 4 contribution for displacement (left) and radiated noise pressure (right)
Conclusione
In questo esempio dimostrativo, abbiamo messo in evidenza come impostare un modello dedicato all’analisi precoce del rumore e delle vibrazioni. Esso consente di:
- Confrontare i diversi progetti di motopropulsori elettrici.
- Valutare le tendenze e le frequenze potenzialmente problematiche della trasmissione meccanica.
- Ridurre il rischio di rumore e vibrazioni regolando, in una fase iniziale, la configurazione della trasmissione meccanica.
Ulteriori funzionalità sono state sviluppate da la nostra organizzazione Simcenter Engineering and Consulting Services. Essi comprendono:
- Calcolo e visualizzazione delle prestazioni NVH dei motori elettrici al di sopra dei 10 kHz
- Esportazione dei risultati di rumore e vibrazioni in formato ASCII
- Compatibilità con le macchine a doppia stella
- Sostituzione del modello analitico 1D dello statore con un modello 3D ad alta fedeltà del sistema e-powertrain:
- Basato su un modello FE di ordine ridotto della struttura e dell’acustica.
- Consente calcoli NVH molto rapidi a livello di sistema (tenendo conto dei controlli, della frequenza di commutazione, ecc.)
Figura 6: Funzione avanzata del processo di impostazione dell’applicazione per il rumore e le vibrazioni del PMSM