Geräuschprognose für Elektroantriebe

Schwingungen und Geräusche elektrischer Antriebe werden maßgeblich von den magnetischen Kraftwirkungen zwischen Stator und Rotor des Elektromotors verursacht. Die Simulation der Kräfte, Vibrationen und Geräusche kann den Designprozess beschleunigen, akustische Labormessungen begleiten und langwierige Prototyp-Phasen verkürzen.

Ziel der Weiterbildung

Im Seminar lernen Sie wichtige FEM-basierte Analysetechniken für derartige Simulationen kennen. Es werden anwendungsbereite Grundlagen für die einzelnen Abschnitte dieser multiphysikalischen FEM-Simulation vermittelt:
- elektromagnetische Berechnung der Luftspaltkräfte
- strukturdynamische Schwingungs- und Körperschallberechnung
- Luftschallanalyse

Wesentliche Aspekte der Modellbildung, die für die Generierung hochwertiger Ergebnisse von Bedeutung sind, werden behandelt.

Voraussetzungen:
Grundkenntnisse im Umgang mit FEM-Simulationstools sind von Vorteil. Die Demonstrationen und Workshops werden mit Ansys Mechanical und Ansys Maxwell durchgeführt.

Dienstag, 9. und Mittwoch, 10. Mai 2023
9.00 bis 12.15 und 13.45 bis 17.00 Uhr

Numerische Akustik für Elektromotoren
- Anwendungsbereiche der Simulation
- Übersicht über den Analyseablauf
- FEM-Modelle für Elektromagnetik und Strukturdynamik
- Berechnung des Körperschallpegels
- Generation eines Wasserfalldiagramms ("Campbell-Diagramm")

Workshop: Getting Started
- Integration und Verbindung von elektromagnetischer und strukturdynamischer Analyse in der Ansys Workbench
- wichtige Simulationseinstellungen
- Berechnung des Körperschallspektrums für einen Arbeitspunkt des Motors
- Übung an einem vorbereiteten Beispiel eines Synchronmotors

Workshop: Simulation eines Motor-Hochlaufes (Wasserfall-Diagramm)
- vom einzelnen Arbeitspunkt zum Drehzahlbereich
- Anforderungen an die Drehzahl-Schrittweite aus der Resonanzgüte
- Erweiterung der Analyse zur Multi-RPM-Simulation
- Visualisierung des Körperschallpegels im Wasserfall-Diagramm

Elektromagnetische Anregungskräfte
- Berechnungsgrundlagen für die Anregungen
- Maxwell'scher Spannungstensor und Kraftdichteverteilungen
- Berechnung von Ständerzahnkräften
- räumliche Anregungsordnungen (Kraftdichtewellen)
- FE-Vernetzung, Zeitschrittweite, Zeitintervalle
- Workshop: Realisierung in Ansys Maxwell

Vorbereitung mechanischer Modelle
- Motormodelle mit realitätsnahem dynamischen Antwortverhalten generieren
- wichtige Einflussparameter eines Motormodells auf dessen Modalverhalten
- Möglichkeiten des Abgleichs an experimentelle Modalanalysen
- Materialeigenschaften für Blechpakete und Wicklungen
- Modellierungsvarianten für Ständerwicklungen
- Dämpfung

Simulation der Schallabstrahlung
- Ermittlung der räumlichen Abstrahlung durch Luftschallanalysen
- Vergleich tatsächlicher Abstrahlleistungen mit Körperschallberechnungen - Abstrahlgrad
- akustische Randbedingungen
- Grundregeln für Modellraumgröße und FE-Netzdichte im Kontext der Wellenlänge
- parallelisierte Lösungsstrategien für größere Frequenzbereiche
- Workshop: Ankopplung von Luftschallanalysen an die Schwingungsanalyse in Ansys Workbench

Asynchronmotoren
- Fouriertransformation, periodische und nicht-periodische Intervalle, Leckeffekt
- Konsequenzen des Schlupfes von Asynchronmotoren
- Geräuschsimulation für einzelne Arbeitspunkte
- Geräuschsimulation für Drehzahlbereiche
- Reduktion des Leckeffektes durch Anwendung von Fensterfunktionen

Umrichterspeisung von Motoren
- Einbeziehung von PWM-Signalen in die Wicklungsspeisung
- Anforderungen an die Zeitschrittweite aus dem Frequenzgehalt der PWM-Signale
- Ausblick: neue Ansätze zur Lösung akustischer Aufgaben mit komplexen Signalverläufen durch Reduced-Order-Modelle und Systemsimulation