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Simulation Wie sich Geräusche von Elektro­motoren im Auto simulieren lassen

Autor / Redakteur: Peter Huck, Dr. Daniel Jung * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Da Verbrennungsmotoren immer leiser werden, stören vermehrt die Geräusche von Elektromotoren im Auto. Mit geeigneten Berechnungsverfahren lässt sich die Akustik von E-Maschinen simulieren.

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Spielt bei der Akustik von E-Maschinen eine wesentliche Rolle: die Interaktion zwischen elektromagnetischen und strukturmechanischen Effekten.
Spielt bei der Akustik von E-Maschinen eine wesentliche Rolle: die Interaktion zwischen elektromagnetischen und strukturmechanischen Effekten.
(Bild: ARRK|P+Z Engineering)

Lautstarke Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen werden zunehmend geräuschoptimiert, besser gedämmt oder durch alternative Antriebe ersetzt. Elektrische Antriebe im Fahrzeug, die zuvor akustisch vom lauten Verbrennungsantrieb übertönt wurden, werden nun hörbar und fallen für den Anwender unangenehm auf. Dabei kann es sich um das gesamte Spektrum vom Komfortantrieb, wie dem Fensterheber oder der Sitzverstellung, über den Starter bis hin zu eigentlichen Traktionsmaschine handeln.

Entwickler und Konstrukteure stehen jedoch vor dem Problem, dass sich die Geräuschursachen mit den vorhandenen Standardverfahren kaum eindeutig zuordnen und daher nicht gezielt beheben lassen. Um hier differenzierte Aussagen zu ermöglichen, haben die Experten des Entwicklungsdienstleisters ARRK|P+Z Engineering jetzt eine Methodik entwickelt, mit der sich die Anregung durch die elektromagnetischen Kräfte realitätsnah berechnen und in einer gekoppelten Simulation die entsprechende Schallabstrahlung ermitteln lässt.

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Bereits erste Untersuchungen zeigten dabei, dass die Ergebnisse der bisherigen Technik teils stark von den tatsächlichen Verhältnissen abweichen. Das genauere Verfahren kann dagegen in Kombination mit einem darauf aufbauenden Optimierungsprozess helfen, bereits frühzeitig im Entwicklungsprozess Motoren und Gehäuse so anzupassen, dass unerwünschte Schwingungen reduziert werden.

„Praktische Versuche bringen bei der Untersuchung akustischer Phänomene in der E-Maschinen-Entwicklung nur eingeschränkte Erkenntnisgewinne. Hier spielen zu viele Einflussfaktoren gleichzeitig zusammen, als dass die Einflüsse auf Basis von Messdaten eindeutig auseinandergehalten werden könnten“, erklärt Dr. Daniel Jung, Teamleiter im Bereich Simulation Antrieb bei ARRK|P+Z Engineering.

Die Einflussfaktoren für die Anregungen isoliert zu betrachten, ist im Versuch nur teilweise möglich, extrem aufwändig und liefert keine absolut zuverlässigen Ergebnisse. Ohne die Ursache für bestimmte Geräuschentwicklungen zu kennen, bleibt daher zur Optimierung oft nur das Trial-and-Error-Prinzip, einschließlich der damit verbundenen Kosten für immer neue Prototypen und Tests – bei dem am Ende dennoch nicht gesichert ist, dass die Leistungseinbußen oder das zusätzliche Gewicht, mit dem die geforderten akustischen Eigenschaften erreicht werden, wirklich notwendig sind.

Akustik erfordert neue Berechnungsmethoden

Eine günstigere und effizientere Lösung wäre es, die Akustik in einer früheren Konzeptionsphase zu simulieren. Dabei ließen sich einzelne Faktoren gezielt anpassen und verschiedene Parametersätze erproben, um auftretende Effekte genau zu untersuchen. Problematisch an elektrischen Motoren ist jedoch, dass die Anregungen aus den wirkenden elektromagnetischen Kräften eine wesentliche Rolle für die Schallabstrahlung spielen.

Die Standardberechnungsmethoden zur Bestimmung der elektromagnetischen Kräfte basieren auf Verfahren zur Drehmomentenberechnung und nutzen oft eine vereinfachte Methode der Berechnung: Unter anderem werden dabei die Kräfte zwischen Rotor und Stator über ein Ringintegral berechnet, welche sowohl die tatsächliche Kontur als auch den tatsächlichen lokalen Verlauf der Kräfte nicht berücksichtigt – eine Vereinfachung, die für die Drehmomentenberechnung völlig ausreichend ist. Diese etablierten Verfahren wurden inzwischen auch zur Simulation der Schallabstrahlung übernommen, ohne ausreichend zu hinterfragen, wie genau die erzielten Ergebnisse sind.

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