Cómo Diseñar un Motor Silencioso
Con la aparición de los vehículos eléctricos (EV), el análisis de ruido y vibraciones del motor eléctrico se ha convertido en una parte muy importante del diseño de sistemas de propulsión eléctricos. El motor de tracción eléctrica es ahora el único componente de propulsión de un vehículo eléctrico y su ruido ya no está enmascarado por un motor. Por lo tanto, es fundamental diseñar un motor silencioso, ya que cualquier chirrido no deseado del motor provocaría ruidos y vibraciones desagradables al conductor. Sin embargo, la reducción del ruido no deseado del motor no se limita en modo alguno a los motores de tracción eléctricos. En muchas otras aplicaciones de motores, como accionamientos industriales, HVAC y turbinas eólicas, la reducción del ruido y la vibración del motor son aspectos de diseño importantes.
¿Qué tan ruidoso es el diseño de mi motor?
El ruido y la vibración son 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 conduce a un gemido agudo, que generalmente es causado por una fuerza de excitación alta que se alinea con una frecuencia natural dominante de la estructura motora.
Figura 1. El chirrido del motor a menudo es causado por una fuerza de excitación alta 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 automotriz típico. Se trata de una topología de motor de imán permanente interior (IPM) con ocho polos y 48 ranuras.
Figura 2. Un motor de tracción típico de un automóvil.
Una forma sencilla de evaluar en qué frecuencias es probable que obtengamos picos en la respuesta acústica es mediante un diagrama de Campbell. Este diagrama muestra las frecuencias (órdenes) de excitación dominantes 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.
Figura 3. El diagrama de Campbell.
Los picos de ruido suelen producirse donde las líneas se cruzan, lo que significa que a esa frecuencia, la fuerza electromagnética excita un modo estructural del estator. Para nuestro ejemplo, los modos estructurales más importantes son F0 (un modo de respiración excitado por la fuerza promedio alrededor del estator que cambia con el tiempo) y F8, un modo octaédrico excitado por la frecuencia de forzado 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 del sonido, es máxima, como se muestra en el espectrograma a continuación.
Figura 4. Cuando el orden de frecuencia cruza una frecuencia natural, la amplitud de la respuesta acústica, o potencia del sonido, es máxima.
Al tomar una sección transversal de cada orden dominante (el llamado “corte de orden”), podemos trazar la potencia del sonido acústico en función de la velocidad de funcionamiento del motor. Esto nos permite identificar a qué velocidades/frecuencias se produce la mayor respuesta.
Figura 5. Gráfico que identifica qué velocidades/frecuencias provocan la mayor respuesta.
Cómo y cuándo mejorar un diseño para reducir el ruido
El diseño de motores eléctricos es un proceso complejo que involucra múltiples dominios físicos. Un diseñador de motores necesita evaluar qué tan ruidoso es su diseño en las primeras etapas del proceso de diseño, cuando se pueden realizar cambios fácilmente. Para ello, un diseñador de motores necesita acceso a una herramienta rápida de análisis de ruido, vibración y aspereza (NVH) durante el diseño conceptual de sus motores eléctricos. Un diseñador de motores probablemente buscaría reducir las excitaciones electromagnéticas, pero el siguiente ejemplo muestra que es muy importante considerar 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 8400 rpm y 9600 rpm. En el espectrograma, podemos ver claramente que a estas velocidades, se produce un pico cuando los órdenes armónicos 12 y 14 cruzan las frecuencias naturales de la estructura del estator (F0 y F8).
Un análisis 2D de transformada rápida de Fourier (FFT) de las excitaciones de fuerza radial muestra que la mayor respuesta de ruido para nuestro motor de ejemplo proviene de tres pequeñas excitaciones resaltadas en el siguiente gráfico. La razón por la que estos pequeños armónicos generan una respuesta tan grande es porque la estructura del estator es más flexible para estos órdenes de forma y frecuencia particulares.
Figura 6. Armónicos espacio-temporales del estator.
Esto resalta la importancia de un enfoque que combine forzamiento y respuesta, que permita a los ingenieros evaluar rápidamente el ruido y la vibración desde las primeras etapas del proceso de diseño. Si nos centráramos únicamente en reducir las excitaciones electromagnéticas, no nos preocuparíamos por estas pequeñas excitaciones; sin embargo, estos son claves para el ruido que genera 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 está definida por el comportamiento modal de la estructura del estator, el cual está determinado por sus dimensiones y materiales. Una forma de reducir la respuesta del estator es engrosando el hierro posterior 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 que aumentemos esta velocidad hasta que la resonancia se produzca por encima de la velocidad máxima de funcionamiento del motor.
Figura 7. El aumento del espesor del hierro posterior del estator reduce el ruido.
Para nuestro ejemplo, el aumento en el espesor del hierro posterior 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 en el pico de resonancia causado por el armónico 12 en 4 decibeles (dB). Esto se debe al aumento de la rigidez del estator para el modo estructural F0. El pico de resonancia debido al armónico 14 ha desaparecido por completo, ya que ya no cruza el modo estructural F8.
Figura 8. Reducción del pico de resonancia.
Las herramientas de análisis NVH que se muestran arriba son las últimas incorporaciones a Ansys Motor-CAD . Motor-CAD es el software dedicado al diseño de motores eléctricos. Proporciona herramientas de análisis y diseño rápidas y precisas que incluyen todas las principales físicas, por ejemplo, electromagnéticas, térmicas, mecánicas y ahora NVH. La herramienta de análisis NVH utiliza una combinación de análisis de elementos finitos (FEA) y métodos analíticos para que los tiempos de simulación sean cortos. Esto permite al diseñador de motores incorporar el análisis NVH a su diseño conceptual multifísico y realizar cambios de diseño para evitar problemas de ruido desde el principio.
