Akustik elektrischer Antriebssysteme: leiser geht immer

Ob Automobil, LKW oder Schienenfahrzeug: elektrisch angetrieben sind sie  deutlich leiser als mit Verbrennungsmotor. »Wozu wird da an der Akustik geforscht?« Diese Frage begegnet uns oft. Doch hochfrequente Anregungen sorgen für ein unangenehmes Fiepen: hochfrequente Töne, die bis in den Innenraum gelangen und den Menschen stressen. Denn der Verbrennungsmotor als maskierende (überlagernde) Geräuschquelle fehlt. Dass es sich lohnt, Elektromotoren leiser zu machen, zeigt auch das Beispiel unseres Akkuschraubers, dessen Schallabstrahlung wir tonal um 20 Dezibel reduzieren konnten.

Grundsätzlich gilt bei elektrischen Antrieben: das Magnetfeld zwischen Rotor und Stator bewirkt dynamische Kräfte, die ein wesentlicher Anregungsmechanismus für Geräusche und Schwingungen sind. Sowohl die Schallabstrahlung der Maschine selbst als auch die Momentenwelligkeit des Antriebs lassen sich durch Magnetkreisoptimierungen und eine Maschinenregelung deutlich reduzieren. 

Simulation: Ganzheitliche Systembetrachtung

Wir setzen auf eine ganzheitliche Systembetrachtung und nehmen Regelung, Inverter, E-Maschine und Getriebe in den Blick. Das gilt in der Automobilindustrie, aber auch in allen anderen Branchen, in denen elektrische Antriebe berechnet und getestet werden müssen. Außerdem arbeiten wir mit führenden Forschungseinrichtungen an der Entwicklung zukünftiger Antriebskonzepte. Wir schaffen ein physikalisches Verständnis des Zusammenspiels der Komponenten in Bezug auf das akustische Verhalten. Als unser Partner erhalten Sie eine detaillierte Anregungsprognose mit allen Effekten aus der Ansteuerung sowie eine Vielzahl an Validierungsmöglichkeiten an speziell entwickelten Prüfständen.

So können wir uns einbringen: 

• Gekoppelte Simulation über mehrere physikalische Domänen hinweg (Steuerung/Regelung, Schaltungssimulation, Elektromagnetik, Mehrkörpersimulation, Strukturdynamik, Verzahnungsberechnung)
• Entwicklung von Regelungsalgorithmen zur Beeinflussung des akustischen Systemverhaltens
• Sensitivitätsanalyse von Fertigungsabweichungen und Montageeinflüssen
• Numerische Magnetfeldberechnung mit FEM
• Skalierbare E-Maschinenmodelle: Grundwellenmodell, lageabhängig erweitertes Grundwellenmodell, Oberwellencharakteristik, Schrägungseinfluss, Stromoberschwingungen durch Pulsung (THD)
• Zeitschrittsimulation zur Auslegung von Regler und Filter der Antriebsregelung sowie zu Modulationsverfahren

Regelung: Wir machen Ihren Antrieb leise und effizient.

Sie werden überrascht sein, wie viel Optimierungspotential in Software-Updates steckt. Wir analysieren mit Ihnen die Effekte auf den E-Motor und die Getriebeanregung. Wir berechnen und messen gemeinsam die Effizienz des Antriebssystems. Gemeinsam erreichen wir eine verringerte Kraftanregung Ihres E-Antriebs. Im Ergebnis erzielen wir damit ein signifikant niedrigeres Geräuschniveau im Fahrzeuginneren.

Unsere Stärken sind insbesondere: 

• Entwicklung von Regelungsalgorithmen zur Beeinflussung des akustischen Systemverhaltens
• Injektion von Stromharmonischen zur Reduktion von Motorordnungen (»Noise-Shaping«)
• Randomisierte Pulsverfahren zur Vermeidung des PWM-Fächers
• Direkte Drehmomentregelung, erweiterte Regelkonzepte
• Virtueller Drehmomentsensor, Beobachter-Entwurf, sensorlose Verfahren
• Echtzeitfähige Umsetzung und Rapid Control Prototyping der Antriebsregelung

Prüfung: Wir haben die Infrastruktur, die Ihnen weiterhilft.

Wir arbeiten seit vielen Jahren eng mit unseren Kunden zusammen und verfügen über ein breites Erfahrungsspektrum in der Planung und Auslegung von Prüfaufbauten. NVH-Untersuchungen (Noise Vibration Harshness) von Antriebssystemen gehören zu  unseren Kernkompetenzen, die wir kontinuierlich erweitern. Auf die hocheffiziente Arbeitsweise und Kompetenz unserer WissenschaftlerInnen dürfen Sie setzen.

So können wir Sie unterstützen:

• NVH Untersuchungen von Elektromotoren bis zu 200 kW im Klasse 1 Halbfreifeldraum (DIN EN ISO 3745)
• Schalldruckmessungen im Hüllflächenverfahren bis 10 kHz basierend auf DIN EN ISO 3744/3745
• Direkte und indirekte (in-situ nach ISO 20270) Bestimmung der blocked forces an den Lagerstellen
• Zahlreiche Analysemöglichkeiten von Luft- und Körperschall (bspw. per akustischer Kamera und 3D Laservibrometer)
• Anordnung des Prüflings in Back-to-Back mit einer Lastmaschine oder als komplette Antriebsachse zwischen zwei Lastmaschinen möglich
• Umrichterfrequenz der Lastmaschinen leistungsabhängig einstellbar
• 200 kW Quelle-Senke-System einstellbar bis 800 VDC zur HV- Prüflingsversorgung
• Verwendung schnellschaltender SiC-Antriebswechselrichter (max. 30 kHz) für Fahrantriebe
• Hochdrehende Lastmaschine (bis 18.000 1/min)
• CAN-FD-Restbussimulation