Cómo diseñar un motor silencioso con Ansys
Con la aparición de los vehículos eléctricos (VE), el análisis del ruido y las vibraciones del motor eléctrico se ha convertido en una parte muy importante del diseño de las cadenas cinemáticas eléctricas. El motor eléctrico de tracción es ahora el único componente de propulsión de un VE, y su ruido ya no queda enmascarado por un motor. Por tanto, es crucial diseñar un motor silencioso, ya que cualquier quejido no deseado del motor causaría ruidos y vibraciones desagradables al conductor. Sin embargo, la reducción del ruido no deseado del motor no se limita en absoluto a los motores eléctricos de tracción. En muchas otras aplicaciones de motores, como los accionamientos industriales, los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado y las turbinas eólicas, la reducción del ruido y las vibraciones del motor son aspectos de diseño importantes.
¿Cómo de ruidoso es mi diseño de motor?
El ruido y las vibraciones están causados por una combinación de excitaciones -fuerzas electromagnéticas generadas por el motor- y la dinámica estructural del motor, es decir, las frecuencias naturales de la estructura. Una combinación desafortunada da lugar a chirridos agudos, que suelen estar causados por una fuerza de excitación elevada que se alinea con una frecuencia natural dominante de la estructura del motor.
Podemos demostrar cómo evaluar los niveles de ruido en un motor eléctrico con un ejemplo. A continuación se muestra un motor de tracción de automóvil típico. Se trata de una topología de motor de imán permanente interior (IPM) con ocho polos y 48 ranuras.
Una forma sencilla de evaluar a qué frecuencias es probable que obtengamos picos en la respuesta acústica es mediante un diagrama de Campbell. Este diagrama muestra las frecuencias de excitación dominantes (órdenes) como líneas diagonales con una relación lineal entre la frecuencia y la velocidad de rotación. Las frecuencias naturales de la estructura del estator del motor eléctrico se muestran como líneas verticales.
Los picos de ruido suelen producirse donde se cruzan las líneas, lo que significa que, a esa frecuencia, la fuerza electromagnética excita un modo estructural del estator. En nuestro ejemplo, los modos estructurales más importantes son F0 -un modo de respiración excitado por la fuerza media alrededor del estator que cambia con el tiempo- y F8, un modo octaédrico excitado por la frecuencia de forzamiento fundamental debido a que el motor tiene ocho polos.
Un espectrograma muestra la respuesta acústica para cada orden de frecuencia. Cuando el orden de frecuencia cruza una frecuencia natural, la amplitud de la respuesta acústica, o potencia acústica, es máxima, como se muestra en el espectrograma siguiente.
Tomando una sección transversal de cada orden dominante -lo que se denomina «corte de orden»- podemos trazar la potencia acústica sonora en función de la velocidad de funcionamiento del motor. Esto nos permite identificar a qué velocidades/frecuencias se produce la mayor respuesta.
Cómo y cuándo mejorar un diseño para reducir el ruido
El diseño de motores eléctricos es un proceso complejo en el que intervienen múltiples dominios físicos. Un diseñador de motores necesita evaluar el nivel de ruido de su diseño en una fase temprana del proceso de diseño, cuando los cambios pueden realizarse fácilmente. Para ello, un diseñador de motores necesita tener acceso a una herramienta rápida de análisis de ruido, vibración y dureza (NVH) durante el diseño conceptual de sus motores eléctricos. Un diseñador de motores probablemente buscaría reducir las excitaciones electromagnéticas, pero el ejemplo siguiente muestra que es muy importante tener en cuenta la respuesta acústica del motor a estas excitaciones si queremos reducir el ruido.
Para nuestro motor de ejemplo, los picos más altos en la respuesta acústica se producen a 8.400 rpm y 9.600 rpm. A partir del espectrograma, podemos ver claramente que a estas velocidades, se produce un pico cuando los órdenes armónicos 12º y 14º cruzan las frecuencias naturales de la estructura del estator (F0 y F8).
Un análisis 2D de la transformada rápida de Fourier (FFT) de las excitaciones de la fuerza radial muestra que la mayor respuesta de ruido para nuestro motor de ejemplo procede de tres pequeñas excitaciones resaltadas en el gráfico inferior. La razón por la que estos pequeños armónicos generan una respuesta tan grande es que la estructura del estator es más flexible para estos órdenes de forma y frecuencia concretos.
Esto pone de relieve la importancia de un enfoque que combine forzamiento y respuesta, lo que permite a los ingenieros evaluar rápidamente el ruido y las vibraciones desde las primeras fases del proceso de diseño. Si nos centráramos únicamente en reducir las excitaciones electromagnéticas, no nos preocuparíamos por estas pequeñas excitaciones; sin embargo, son clave para el ruido generado por este motor. En este caso, para reducir el ruido, podemos centrarnos en reducir la respuesta del estator en lugar de reducir aún más las ya pequeñas excitaciones.
La respuesta del estator viene definida por el comportamiento modal de la estructura del estator, que viene determinado por sus dimensiones y materiales. Una forma de reducir la respuesta del estator consiste en engrosar el contrafuerte del estator, lo que aumenta su rigidez y sus frecuencias naturales. Esto reducirá la amplitud del ruido en los picos de resonancia y aumentará la velocidad del motor a la que se produce la resonancia. Lo ideal es aumentar esta velocidad hasta que la resonancia se produzca por encima de la velocidad máxima de funcionamiento del motor.
En nuestro ejemplo, el aumento del grosor del contrahierro del estator del motor eléctrico significa que las frecuencias de los modos estructurales F0 y F8 se desplazan hacia la derecha. La comparación de la respuesta resultante muestra una reducción del pico de resonancia causado por el 12º armónico en 4 decibelios (dB). Esto se debe al aumento de la rigidez del estátor para el modo estructural F0. El pico de resonancia debido al 14º armónico ha desaparecido por completo, puesto que ya no atraviesa el modo estructural F8.
Las herramientas de análisis NVH mostradas arriba son las últimas incorporaciones a Ansys Motor-CAD. Motor-CAD es el software dedicado al diseño de motores eléctricos. Proporciona herramientas de diseño y análisis rápidas y precisas que incluyen todas las físicas principales, por ejemplo, electromagnética, térmica, mecánica y, ahora, NVH. La herramienta de análisis de NVH utiliza una combinación de análisis de elementos finitos (FEA) y métodos analíticos para reducir el tiempo de simulación. Esto permite al diseñador de motores incorporar el análisis NVH a su diseño conceptual multifísico y realizar cambios en el diseño para evitar problemas de ruido desde el principio.
