So werden Elektroantriebe leiser

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Akustik erfordert andere 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, das 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.

„Tatsächlich erinnert der gängige Aufbau des Stators mit seinen bürstenartigen Zähnen aber an ein Musikinstrument. Jeder Zahn ist ein flexibles, schwingendes Element“, erklärt Peter Huck, einer der Experten für Elektromagnetik bei ARRK|P+Z Engineering. „Hinzu kommt, dass die übliche Methodik lediglich Kräfte normal zur Oberfläche berücksichtigt, während in der Akustik auch tangentiale Kräfte und Bewegungen einen erheblichen Einfluss haben können.“ Der Elektroingenieur entwickelte daher ein Verfahren, um die elektromagnetischen Kräfte entlang der gesamten Oberfläche berechnen und auf ein Strukturmodell übertragen zu können, anhand dessen sich Schwingungen und Schallabstrahlung simulieren lassen.

Berechnung der Kräfte anhand magnetischer Feldstärke und Flussdichte

Um eine geeignete Datengrundlage für die Kopplung von Magnetik und Struktur zu schaffen, dient als Berechnungsbasis der Kräfte die Maxwellsche Stresstensor-Methode. Diese betrachtet die Spannungen, die sich aus den Wechselwirkungen von atomaren Ladungsträgern und magnetischen Feldern ergeben und sich an den Grenzflächen magnetisch leitender Materialien als mechanische Kräfte äußern. Das erlaubt es, die Kraftdichten an der Oberfläche des Stators mit verringertem Einfluss der im Regelfall mit starken Unsicherheiten behafteten Größe der magnetischen Permeabilität zu bestimmen und somit die Ergebnisgüte zu erhöhen. Um die Kraftanregung zu errechnen, werden die aus der elektromagnetischen Feldverteilung folgende magnetische Feldstärke und magnetische Flussdichte an definierten Punkten entlang von Pfaden ausgelesen.

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