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Detailed Investigation on Electromagnetic Noise in Permanent Magnet Brushless Motors for Hybrid Vehicles

El Khawly, Zakaria

In this work, a scientific approach for computational evaluation and for theoretical and practical systematic design considerations for noise behavior of Permanent Magnet (PM) brushless motors used in the power train of hybrid vehicles has been established. This work provides designers and engineers with detailed description and specific information about electromagnetic noise, its generation process and the relation between the different scientific fields required in the complete evaluation process. It also explains modern electromagnetic concepts which help to fulfill the requirement of hybrid power train and introduces the different winding topologies. In this work, an explicit analysis of time and space harmonics for air-gap flux density or, rather, of magnetic forces, has been dealt with in detail and then related to their corresponding mechanical modes. The paper also introduces the electromagnetic parameters that contribute to the determination of these harmonics. Detailed mechanical and dynamic analyses needed for the evaluation process of noise have been completely covered. An analytical method for modeling the stator and for calculating its modal characteristics has been introduced. The mechanical factors that affect the results of modal and harmonic analyses are also investigated based on experimental and simulation results. A theoretical background concerning the structure borne sound, the airborne sound and their acoustic parameters is also included. The acoustic simulations were performed to synchronize electromagnetic and mechanical results and subsequently to compute the noise level. The design considerations which improve the electromagnetic design of PM motors and guarantee an enhanced vibration and noise behavior have also been revealed. The skewing effect on the torque ripple and the noise behavior has also been investigated with respect to a discrete skewed rotor topology. A complete chain of analysis for computation of vibration and noise has been defined using the analytical approaches as well as the modern numerical methods such as Finite Element Method (FEM), Boundary Element Method (BEM) and Fast Multi-pole Boundary Element Method (FMBEM).

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein systematischer Ansatz zur theoretischen und praktischen Designbetrachtung, sowie zur rechnerischen Auswertung des Geräuschverhaltens permanenterregter Motoren für den Antriebsstrang von Hybridfahrzeugen untersucht. Diese Arbeit bietet Ingenieuren und Maschinenauslegern detaillierte und spezifische Informationen über das elektromagnetische Betriebsgeräusch, seinen Entstehungsprozess und die für eine Bewertung notwendigen Beziehungen zwischen den verschiedenen physikalischen Bereichen. Dabei werden insbesondere moderne elektromagnetische Konzepte und Wicklungstopologien untersucht, die für die Erfüllung der Anforderungen in einen Hybrid-Antriebsstrang benötigt werden. Die Luftspaltflussdichte, bzw. die magnetischen Kräfte wurden hierbei zeitlich und räumlich analysiert um die entsprechenden Strukturmoden zu ermitteln. Zudem werden wichtige elektromagnetische Parameter vorgestellt, welche einen signifikanten Einfluss auf die Luftspaltoberwellen haben. Detaillierte mechanische und dynamische Analysen, die für den Bewertungsprozess des Betriebsgeräusches notwendig sind, werden im Rahmen der Arbeit ausführlich behandelt. Eine analytische Methode für das Modellieren des Stators und das Berechnen seiner modalen Eigenschaften wurde eingeführt. Die mechanischen Faktoren, die die Ergebnisse von modalen und harmonischen Analysen beeinflussen, wurden sowohl simulativ, als auch experimentell, untersucht. Die Arbeit umfasst zudem die theoretischen Hintergründe von Luft- und Körperschall, sowie weiterer akustisch relevanter Größen. Um den Geräuschpegel berechnen zu können, wurden elektromagnetische, strukturdynamische und akustische Simulationen miteinander kombiniert. Wichtige Maßnahmen, die zu einer Verbesserungen des elektromagnetischen Designs und insbesondere des vibro-akustischen Verhaltens führen, sind herausgearbeitet worden. Beispielsweise wurde der Einfluss von Schrägung auf die Drehmomentwelligkeit und das Geräuschverhalten für eine diskret geschrägte Rotor Topologie untersucht. Eine vollständige Analysekette für die Berechnung des Vibrations- und Geräuschverhaltens wurde sowohl mit analytischen Methoden, als auch mit modernen numerischen Methoden wie der Finite Element Method (FEM), der Boundary Element Method (BEM) und der sogenannten Fast Multi-pole Boundary Element Method (FMBEM) definiert.

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Zitierform:

El Khawly, Zakaria: Detailed Investigation on Electromagnetic Noise in Permanent Magnet Brushless Motors for Hybrid Vehicles. 2014.

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