Motorgeräusche lassen sich in drei Kategorien einteilen: aerodynamische, mechanische und elektromagnetische Geräuschquellen. In den letzten Jahren hat die Aufmerksamkeit auf die Auswirkungen elektromagnetischer Geräuschquellen zugenommen. Dies hat vor allem zwei Gründe:

(a) Bei kleinen und mittelgroßen Motoren, insbesondere solchen mit einer Leistung unter 1.5 kW, dominiert elektromagnetisches Rauschen das akustische Feld.

(b) Diese Art von Geräusch ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass es nach der Herstellung schwierig ist, die magnetischen Eigenschaften des Motors zu ändern.

In früheren Studien wurde der Einfluss verschiedener Faktoren auf das Motorgeräusch umfassend untersucht, beispielsweise die Wirkung von Pulsweitenmodulationsstrom auf das akustische Geräuschverhalten von Synchronmotorantrieben mit internen Permanentmagneten, der Einfluss von Wicklungen, Maschinenrahmen und Imprägnierung auf die Statorresonanzfrequenz sowie der Einfluss von Kernklemmdruck, Wicklungen, Keilen, Zahnprofilen, Temperatur usw. auf das Schwingungsverhalten von Statoren verschiedener Motortypen.

Der Einfluss der Statorkernbleche auf das Schwingungsverhalten des Motors ist jedoch noch nicht vollständig erforscht, obwohl bekannt ist, dass das Einspannen der Bleche die Kernsteifigkeit erhöht und in manchen Fällen sogar als Schwingungsdämpfer wirken kann. Die meisten Studien modellieren den Statorkern als dicken, gleichmäßigen zylindrischen Kern, um die Modellierungskomplexität und den Rechenaufwand zu reduzieren.

Forscher der McGill University und ihr Team analysierten eine große Zahl von Motorproben, um die Auswirkungen von laminierten und nicht laminierten Statorkernen auf das Motorgeräusch zu untersuchen. Sie erstellten CAD-Modelle auf Grundlage der gemessenen Geometrie und Materialeigenschaften tatsächlicher Motoren und verwendeten einen 4-poligen, 12-Nut-Permanentmagnet-Synchronmotor (IPMSM) als Referenzmodell. Der laminierte Statorkern wurde mit der Laminated Model Toolbox in Simcenter 3D modelliert, die Parameter gemäß den Herstellerangaben einstellt, darunter Dämpfungskoeffizient, Laminierungsmethode, Zwischenschichttoleranz sowie Scher- und Normalspannung des Klebstoffs. Um das vom Motor ausgehende akustische Geräusch genau zu bewerten, entwickelten sie ein effizientes Akustikmodell, das die Kopplung zwischen Stator und Flüssigkeit ermöglicht, die die vorhandene Statorstruktur umgebende akustische Flüssigkeit modelliert und das akustische Feld um den IPM-Motor analysiert.

Abbildung 1. (a) Zweidimensionales elektromagnetisches Modell. (b) Variationsbereich der Entwurfsvariablen im gesamten Entwurfsraum.

Die Forscher stellten fest, dass die Schwingungsmodi des lamellierten Statorkerns niedrigere Resonanzfrequenzen aufweisen als die des nicht lamellierten Statorkerns mit der gleichen Motorgeometrie. Trotz häufiger Resonanzen während des Betriebs war der Schalldruckpegel des Motordesigns mit lamelliertem Statorkern niedriger als erwartet. Der Korrelationskoeffizient von über 0.9 weist darauf hin, dass der Rechenaufwand für die Modellierung lamellierter Statoren für akustische Studien durch die Verwendung eines Ersatzmodells zur genauen Schätzung des Schalldruckpegels des äquivalenten massiven Statorkerns reduziert werden kann.

Abbildung 2 Schalldruckpegel von Proben laminierter und nicht laminierter Statorkerne eines 4-poligen IPM-Motors mit 12 Nuten

Abbildung 3 Spearman-Korrelationskoeffizientenverteilung von laminierten und nicht laminierten Statoren von 500 U/min bis 3000 U/min