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Structural Dynamic Modeling and Simulation of Acoustic Sound Emissions of Electric Traction Motors

Schwarzer, Michael :
Structural Dynamic Modeling and Simulation of Acoustic Sound Emissions of Electric Traction Motors.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Structural Dynamic Modeling and Simulation of Acoustic Sound Emissions of Electric Traction Motors
Language: English
Abstract:

The acoustic behavior of electric drive systems is one of the main comfort criteria of electromobility. Due to its high-pitched sound emissions, the electric motor plays an important role. The corresponding noise is predominantly determined by the vibrational behavior of the electric machine given by the structural transfer function.

The early phase consideration of the vibrational behavior of electric machine structures becomes even more relevant if one takes into account the strong requirements towards lightweight design and spatial restrictions inside vehicle applications. One of the most important tools inside the early stage development is the structural dynamic simulation. In order to be able to sustainably predict the vibrational behavior of an electric machine, the corresponding simulation model needs to sufficiently represents all acoustically relevant structural effects and at the same time remain practical and numerically solvable in a reasonable amount of time. This conflict is dealt with in this dissertation.

The acoustic behavior of electric machines is strongly coupled to the vibrational behavior of the electric machine stator. The microscopic representation of the strongly heterogeneous stator structure is elaborate and requires a large computational effort. Therefore, so-called homogenized substitutional materials are typically employed in structural dynamical simulations of electric motors. The homogenized materials intend to represent the effective stiffness and damping properties of the underlying heterogeneous structure by an anisotropic substitutional material. Typically, the corresponding effective stiffness and damping properties of the homogeneous material are reversely obtained from experimental investigations on the particular structure. However, this approach presumes the physical existence of prototypes that can be tested. In this thesis, different so-called homogenization techniques will be investigated that allow the identification of homogenized material properties based micromechanical models of the underlying heterogeneous structure. Therefore, various numerical and analytic approaches will be investigated. The resulting modeling approaches will be validated based on different experimental analyses on an exemplary stator structure and subsequently be employed in a comprehensive acoustic simulation of an entire electric drive train.

However, the simulation and optimization of the mostly broadband acoustic behavior of electric motors remains time-consuming. In order to efficiently predict the acoustic behavior of electric machines the use of model order reduction methods can be advantageous. Model order reduction methods typically involve mathematical algorithms that yield the effective reduction of the model’s degrees-of-freedom. In this thesis, different model order reduction techniques will be applied and evaluated regarding their usability in the area of vibrational simulations of electric machines. A particularly efficient model order reduction could be achieved by using so-called Krylovsubspaces. By employing the Krylov-subspace method the solution time for particular operation points of the electric machine could be reduced to less than 10% of the original solution time.

The integrated modeling procedure, presented in this thesis, yields the sustainable and efficient representation of the vibrational behavior of electric machines. It allows the early phase evaluation and optimization of the acoustic behavior of different electric machine designs. This thesis differs from similar research so far that a generic approach was used to make the representation of the global dynamic behavior of the electric machine possible. The process includes micromechanical models which add a unique robustness and sustainability to the approach.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das Geräuschverhalten elektrifizierter Antriebe ist eines der wesentlichen Komfortkriterien der Elektromobilität. Aufgrund seiner drehzahlsynchronen, teils hochfrequenten Schallemissionen kommt dem Elektromotor hier eine zentrale Bedeutung zu. Dabei wird das akustische Verhalten des Elektromotors durch das strukturdynamische Übertragungsverhalten des Systems determiniert. Besonders vor dem Hintergrund zunehmender Leichtbau- und Bauraumanforderungen in mobilen Anwendungen, ist die frühzeitige Berücksichtigung der strukturdynamischen Eigenschaften elektrischer Maschinen im Auslegungsprozess von zentraler Bedeutung. Ein wichtiges Werkzeug stellt dabei die Simulation dar. Dabei ist es notwendig, dass das zugrundeliegende Simulationsmodell neben der zuverlässigen Prognose des strukturdynamischen Verhaltens praktikabel und rechnerisch handhabbar bleibt. Diesem Konflikt stellt sich die vorliegende Dissertation. Das akustische Verhalten elektrischer Maschinen ist wesentlich von dem mechanischen Verhalten des Stators abhängig. Die mikroskopische Abbildung der stark heterogenen Statorstruktur innerhalb dynamischer Simulationen ist aufwendig und rechenintensiv. Deshalb werden in strukturdynamischen Simulationen elektrischer Maschinen in der Regel sogenannte homogenisierte Ersatzmaterialien verwendet. Diese bilden das effektive direktionale Steifigkeits- und Dämpfungsverhaltens der zugrundeliegenden heterogenen Strukturen in einem anisotropen Ersatzmaterial ab. Klassischerweise werden die Steifigkeits- und Dämpfungskennwerte der homogenene Ersatzmaterialien aus experimentellen Untersuchungen an entsprechenden Bauteilen gewonnen. Diese Verfahren setzen jedoch voraus, dass bereits erste Bauteile für entsprechende Untersuchungen verfügbar sind. In der vorliegenden Arbeit werden unterschiedliche, so genannte Homogenisierungsmethoden untersucht, die die Identifizierung homogener Ersatzmaterialien für Komponenten elektrischer Maschinen auf Basis mikromechanischer Modelle erlauben. Dabei werden sowohl numerische Ansätze als auch analytische Ansätze betrachtet. Die entwickelten Modellierungsmethoden werden anhand unterschiedlicher experimenteller Modalanalysen an Subkomponenten einer exemplarischen Statorstruktur sukzessiv validiert und anschließend in einer akustischen Simulationen des Gesamtantriebsverbunds verwendet. Mithilfe der in der Dissertation entwickelten Modellierungsansätze zur Abbildung des strukturdynamischen Verhaltens elektrischer Maschinen, kann die Akustik elektrischer Antriebe bereits in frühen Projektphasen zuverlässig bewertet werden. Nichtsdestotrotz bleibt die Simulation der oft breitbandigen Geräuschemission elektrischer Antriebe und somit auch die Bewertung ausgewählter E-Maschinendesigns rechenintensiv. Zur effizienteren Berechnung des strukturdynamischen Verhaltens elektrischer Maschinen ist die Verwendung von Modellreduktionsmethoden vorteilhaft. Diese basieren in der Regel auf mathematischen Algorithmen, welche die gezielte Reduktion von Modellfreiheitsgraden bewirken. In der Dissertation werden ausgewählte Modellreduktionsmethoden vorgestellt und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit im Bereich der strukturdynamischen Simulation von elektrischen Maschinen bewertet. Eine besonders effiziente Reduktion des Systems konnte durch die Verwendung sogenannter Krylov-Unterräumen erreicht werden. Die Rechenzeit ausgewählter Betriebspunkte der betrachteten elektrischen Maschine konnte dabei auf weniger als 10% der ursprünglichen Rechenzeit gesenkt werden. Insgesamt wird in der Dissertation ein durchgängiger Prozess entwickelt, welcher neben der zuverlässigen Prognose der Schallemission elektrischer Maschinen auch die rechenzeiteffiziente Optimierung ausgewählter Strukturparameter zur Verbesserung des gesamtakustischen Verhaltens ermöglicht. Insbesondere durch den generischen Ansatz zur Beschreibung des strukturdynamischen Gesamtverhaltens der elektrischen Maschine auf Basis komplexer, mikrostruktureller Modelle und der damit verbundenen Robustheit der Modellierungsmethode, hebt sich die Arbeit von anderen Forschungsarbeiten ab.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Dynamics and Vibrations
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Numerical Methods in Mechanical Engineering (FNB) > Dynamic Vibrations
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Applied Dynamics (AD)
16 Department of Mechanical Engineering > Research group System Reliability, Adaptive Structures, and Machine Acoustics (SAM)
Date Deposited: 26 May 2017 06:52
Last Modified: 26 May 2017 06:53
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-62663
Referees: Melz, Prof. Dr. Tobias and Beidl, Prof. Dr. Christian
Refereed: 20 December 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6266
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