Vibro-akoestiek van roterende elektrische machines: voorspelling, validatie en oplossing

In het kader van elektrische mobiliteit en de behoefte aan goedkopere elektrische machines, winnen opkomende ontwerpen aan belang met minder gebruik van dure permanente magneten; bijvoorbeeld reluctantie machines. Er kan echter een hoge tonale en onaangename akoestische ruis door structurele resonanties optreden. Deze resonanties worden in het algemeen geëxciteerd door elektromagnetische krachten die worden geïnduceerd binnen het roterende magnetische veld van de machine. Daarom vereist de nauwkeurige voorspelling van akoestische ruis van een elektrische machine een grondig multi-fysisch begrip, van systeemniveau (elektrische machine) tot componentniveau (stator- en rotorkernen). Het hoofddoel van dit proefschrift is dan om oplossingen voor te stellen voor de voorspelling en de reductie van resonantie-effecten van magnetische ruis van roterende elektrische machines.

Ten eerste werden vanuit systeemniveau twee multi-fysieke modelleringskaders met verschillende modelvereenvoudigingen geïmplementeerd. Door gesimuleerde resultaten te vergelijken met experimentele metingen bij elke fysieke stap van de modelleringsstroom (elektromagnetisch, trillingen, akoestisch), werd aangetoond dat beide modellen nauwkeurig genoeg zijn voor het voorontwerpen van fasen. Er werd ook aangetoond dat alleen de statorkern in overweging neemt om bij te dragen tot het vibro-akoestische gedrag van elektrische machines, een geldige aanname is.

Tweede van een component-niveau oogpunt, de rotor en de stator kern werden onderzocht. De invloed van de rotor op de volledige structurele dynamica van de machine werd beoordeeld. Naast de gevalideerde effecten van verschillende rotortopologieën op de uitgestraalde ruis, is een analytisch model met succes ontwikkeld om het optreden van een bepaalde trillingsmodus te verklaren; wiens uitleg nog steeds niet in de literatuur werd aangeboden. Parallel daaraan werd de statorkern bestudeerd, voornamelijk omdat deze is samengesteld uit honderden dunne opeenvolgende lamellen die moeilijkheden bij het begrijpen van het structurele gedrag ervan veroorzaken. De effecten van de lamineringen op het structurele gedrag van de statorkern werden numeriek en ook experimenteel bestudeerd. Er werden dus twee modelleerrichtlijnen voorzien, afhankelijk van de modusvorm van interesse en de beschikbare rekenhulpmiddelen. De experimentele studies waren een troost voor deze twee modellenbenaderingen en lieten ook het belang van het kijken naar de dempingseigenschappen naar voren komen. Daarom werd aangetoond dat verschillende lamineringsstapelingstechnieken deze demping aanzienlijk zouden kunnen beïnvloeden.

Tenslotte motiveerde de invloed van de stapeltechniek (lijmen, lassen) op het structurele gedrag van de gelamineerde verbinding de implementatie van een alternatieve oplossing voor het mitigeren van resonantieverschijnselen die verantwoordelijk is voor grote akoestische ruis. Door gebruik te maken van een scheve verdeling van las- of lijmlijnen, is de techniek erop gericht laminaten te laten trillen met verschillende fasen, waardoor ze wrijving veroorzaken. De geïnduceerde demping neemt toe en hangt vervolgens af van de geïntroduceerde asymmetrie en van de beschouwde modusvorm. Deze innovatieve techniek werd experimenteel gevalideerd en vertoonde tot 7 keer hogere structurele demping en 10 dB reductie in amplitudes van de structurele overdrachtsfunctie.