Aktive Geräuschreduktion hochausgenutzter permanentmagnetisch erregter Synchronmaschinen
Jan Nägelkrämer
Der Umbruch in der Automobilindustrie hin zur Elektromobilität ist so deutlich wahrzunehmen wie nie zuvor. Obwohl sich elektrische Maschinen im Vergleich zu Verbrennungsmotoren durch einen niedrigeren Summenschallpegel auszeichnen, können ihre Geräusche auffallend sein. Die Automobilhersteller versuchen insbesondere, den Klang elektrischer Fahrzeuge zu verändern, um beispielsweise unangenehm wahrgenommene Geräusche zu minimieren.
Innerhalb dieser Arbeit wird zunächst die Geräuschentstehung bei elektrischen Maschinen beschrieben und insbesondere auf die elektromagnetischen, strukturdynamischen und akustischen Grundlagen eingegangen. Darüber hinaus wird ein Strukturmodell basierend auf der Finite-Differenzen-Methode vorgestellt und die erwarteten Strukturmoden und ihre Eigenfrequenzen berechnet. Im Fahrzeug ist die kritische Strukturmode üblicherweise die sogenannte Breathing-Mode.
Im darauffolgenden Kapitel wird anhand der Oberwellentheorie die Ursache der Kraftanregung der Breathing-Mode beschrieben. Darüber hinaus wird aufgezeigt, wie diese Kraftanregung durch eingeprägte Stromoberschwingungen signifikant reduziert werden kann.
Des Weiteren wird die aktive Geräuschregelung auf elektrische Maschinen erweitert und angewendet. Dabei wird sowohl ein transientes Antriebsakustikmodell erarbeitet als auch die Implementierung auf einem Prototyping-Steuergerät berücksichtigt.
Die Konzepte und Simulationsergebnisse werden am Prüfstand eingehend untersucht. Dabei wird eine akustisch optimierte permanentmagneterregte Synchronmaschine mit hoher Leistungsdichte für einen Fahrzeugantrieb sowie ein Siliziumcarbid-Pulswechselrichter entwickelt und verwendet. Die Validierung der Simulationen erfolgt anhand von Prüfstandsergebnissen. Dabei wird gezeigt, dass die Breathing-Mode bei einer Frequenz von 6.750 Hz ausgelöscht werden kann. Die vorgestellte Methodik lässt sich ebenso auf andere elektrische Maschinen übertragen.
