Melhore o desempenho NVH de uma unidade de acionamento elétrico

Embora os VEs sejam muito mais silenciosos do que os veículos tradicionais movidos a gasolina...

Por Florent Pasteur

Como a simulação de sistema multidomínio pode ajudá-lo a avaliar o desempenho NVH de uma unidade de acionamento elétrico na fase inicial do projeto?

Embora os VEs sejam muito mais silenciosos do que os veículos tradicionais movidos a gasolina ou diesel, eles não são completamente silenciosos. Alguns EVs produzem ruído do motor elétrico, dos pneus e do vento. Este ruído ainda pode contribuir para a poluição sonora, especialmente nas áreas urbanas.

Este artigo apresenta uma metodologia de simulação de sistema para configurar um modelo dedicado à análise inicial de ruído e vibração. O “Aplicativo de ruído e vibração de máquinas elétricas” do Simcenter Amesim é uma ferramenta de pós-processamento capaz de estimar forças eletromagnéticas, vibrações e ruído irradiado dentro de um motor elétrico, a partir de um modelo eletromagnético criado no Simcenter Motorsolve.

Ruído gerado por um acionamento elétrico

Motores elétricos podem gerar ruído de duas fontes principais: torque de engrenagem e ruído de enrolamento. O torque de engrenagem é gerado pela interação entre os ímãs permanentes no rotor e os enrolamentos do estator devido ao seu ligeiro desalinhamento. Isso resulta em uma força pulsante que produz ruído. O ruído do enrolamento, por outro lado, é produzido pela vibração dos enrolamentos do estator quando são energizados pela corrente elétrica. Isso é causado pela força de Lorentz, que é produzida pela interação da corrente elétrica nos enrolamentos e pelo campo magnético do rotor.

Ao mesmo tempo, o controle do inversor desempenha um papel significativo na influência do ruído gerado pelos motores elétricos. O inversor, um componente crucial no trem de força do EV, regula o fluxo de eletricidade da bateria para o motor, controlando sua velocidade, torque e desempenho geral. Contudo, o seu funcionamento de comutação, caracterizado por ciclos rápidos de ligar-desligar, pode introduzir emissões de ruído indesejáveis. O principal mecanismo responsável pelo ruído induzido pelo inversor é a comutação de harmônicos. Durante o processo de comutação, o inversor gera pulsos elétricos de alta frequência que podem irradiar para o ambiente circundante. Esses harmônicos podem se manifestar como ruído audível, especialmente em altas frequências de comutação.

O aplicativo E-noise em poucas palavras

O “Aplicativo de ruído e vibração de máquinas elétricas” foi projetado para avaliar com rapidez e precisão o desempenho NVH das máquinas. O processo de avaliação do ruído do acionamento elétrico consiste em:

  1. executando um Simcenter modelo de acionamento elétrico Amesim em um determinado cenário de carga
  2. avalie o ruído e as vibrações da unidade a partir do cenário simulado no aplicativo e-noise

A partir do modelo da Máquina Síncrona de Ímã Permanente PMSM com dependência espacial operando em diversas condições de carga, e o campo magnético na tabela de consulta de entreferro, o aplicativo constrói um modelo de previsão das forças eletromagnéticas no entreferro. As informações magnéticas vêm de resultados de simulação eletromagnética provenientes do Simcenter Motorsolve.

O aplicativo cria um modelo preditivo de forças eletromagnéticas no entreferro de uma máquina síncrona de ímã permanente (PMSM) operando sob diversas condições de carga. Isso é conseguido usando uma tabela de consulta que contém informações de campo magnético obtidas a partir de resultados de simulação eletromagnética do Simcenter Motorsolve.

A densidade de força derivada deste modelo é então aplicada a um modelo analítico e estrutural da forma geral da máquina. Ao fazer isso, o aplicativo pode prever os níveis médios de vibração da superfície externa do motor. Esses níveis de vibração podem ser usados ​​para calcular a quantidade de ruído irradiado a uma distância específica.

As quatro etapas são:

  1. Exportação do Simcenter Motorsolve do campo magnético radial e tangencial do entreferro .
  2. Exportação do Simcenter Motorsolve dos modelos de dependência espacial Simcenter Amesim PMSM  para simulação em nível de sistema.
  3. Configuração dos modelos de e-drive Simcenter Amesim PMSM incluindo o inversor e o controlador de torque da máquina.
  4. Avalie a resposta acústica e de vibração da máquina com o aplicativo de ruído e vibração de máquina elétrica​
e_noise_app_process.png

Esse processo foi aplicado a um motor elétrico próximo ao trem de força elétrico do Nissan Leaf.

Descrição do trem de força elétrico sob investigação

esboço.pngFigura 1: Esboço da demonstração

A tração elétrica representada nesta demonstração é como o trem de força elétrico do Nissan Leaf.


trem de força eletrônico

O trem de força elétrico usa componentes dinâmicos para a máquina elétrica, conversor e controle.

As máquinas elétricas utilizadas neste estudo possuem as seguintes características principais resumidas na tabela abaixo:

máquina_elétrica_1.png

Tabela 1: Características principais da máquina elétrica semelhante a uma folha


O CAD e as propriedades físicas desta máquina foram definidas usando a solução de exportação Simcenter Motorsolve para Simcenter Amesim.

Os parâmetros do modelo Simcenter Amesim são inseridos em um modelo não linear de um ímã permanente ou máquina de relutância com dependências espaciais. Este submodelo permite a simulação do desempenho eletromagnético da máquina enquanto considera a saturação magnética e a harmônica espacial devido às ranhuras, configuração do enrolamento e formato do ímã.


Transmissão

O modelo da transmissão é uma série de inércias e molas que consistem em:

  • Inércia do rotor
  • Inércia intermediária do eixo e rigidez
  • Eixos laterais
  • Rigidez do pneu
  • Inércia da roda
  • Massa do veículo

Esta decomposição leva às seguintes frequências naturais para esta transmissão:

 Frequência (Hz)
Modo 19
Modo 231
Modo 32116

Tabela 2: modos de transmissão


Existe um redutor de dois estágios com uma proporção fixa de 9,3. O primeiro estágio deste redutor também inclui uma suposição de erro de transmissão. Este erro de transmissão representa as imperfeições microgeométricas do par de engrenagens e atua como fonte de excitação harmônica. A ordem desta excitação depende da relação do par de engrenagens e do número de dentes das engrenagens.

No nosso caso :
equação.png


Processo para configurar a análise de ruído e vibração – Simcenter Motorsolve

Todas as etapas detalhadas para configurar a análise de ruído e vibração neste exemplo podem ser encontradas em um documento dedicado da base de conhecimento disponível em nosso suporte centro.

 
Análise de ruído e vibração

O cenário O caso de carga é um aumento de velocidade da máquina elétrica.

A figura abaixo exibe o aplicativo de ruído e vibração PMSM depois que a máquina elétrica tipo Leaf foi configurada:

Análise Simcenter Amesim NVH


Figura 3: configuração do motor elétrico em forma de folha


Os dois gráficos abaixo exibem a vibração do motor tipo Leaf e a resposta acústica:

Deslocamento semelhante a uma folha e pressão de ruído irradiado no Simcenter Amesim


Figura 4: deslocamento em forma de folha (esquerda) e pressão de ruído irradiado (direita)


Os dois gráficos abaixo exibem a contribuição do formato 4 da força motora em forma de folha para vibração e resposta acústica:

Análise de ruído e vibração no Simcenter Amesim


Figura 5: Contribuição da forma de força 4 em forma de folha para deslocamento (esquerda) e pressão de ruído irradiado (direita)

 


Conclusão

Neste exemplo de demonstração, enfatizamos como configurar um modelo dedicado à análise inicial de ruído e vibração. Permite:

  • Compare diferentes designs de trem de força elétricos.
  • Avalie as tendências e frequências potencialmente problemáticas, incluindo o sistema de transmissão mecânico.
  • Mitigue o ruído e o risco de vibração ajustando, em um estágio inicial, a configuração mecânica da transmissão.


Indo além

Recursos adicionais foram desenvolvidos por nossa organização de serviços de engenharia e consultoria Simcenter. Eles incluem:

  1. Cálculo e exibição do desempenho de NVH do motor elétrico acima de 10 kHz
  2. Exportar o ruído e os resultados de vibração no formato ASCII
  3. Compatibilidade com estrela duplaCompatibilidade com máquinas de dupla estrela
  4. Substituição do modelo analítico 1D do estator por um modelo 3D de alta fidelidade do sistema e-powertrain:
    1. Baseado em FE modelo de estrutura e acústica de ordem reduzida
    2. Permitindo cálculos de NVH muito rápidos no nível do sistema (contabilizando controles, frequência de comutação,..)
e_noise_app_VibrationSynthesisProcess.png

Figura 6: recurso avançado do processo de configuração do aplicativo de ruído e vibração PMSM

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