Kompetenzzentrum eMobility - Forschungsbereich Antriebsstrang: Teilprojekt AR4: "Leichtbau und Akustik von Elektromotoren"

Das Vorhaben Kompetenzzentrum eMobility greift die strukturbedingten Herausforderungen auf und entwickelt im Rahmen eines neu zu gründenden Kompetenzzentrums Lösungen in wichtigen Teilbereichen, welche die Kooperation zwischen KMU und universitärer Forschung und Lehre deutlich stärken. Das Wissen kann direkt in die betroffene Zulieferindustrie überführt werden und dort dazu beitragen, den Strukturwandel erfolgreich zu managen und neue wirtschaftliche Chancen zu nutzen. Neben der primären Zielsetzung des Aufbaus und Transfers von Kern-Know-How steht vor allem die langfristige Verankerung gewonnener Erkenntnisse in beschäftigungswirksamen wirtschaftlichen Strukturen im Vordergrund.
Ausgehend von einem mehrfach patentierten, weltweit einzigartigen Leichtbaumotorkonzept der OVGU konzentrieren sich die Arbeiten im Forschungsbereich ANTRIEBSSTRANG auf die Weiterentwicklung und prototypische Darstellung der neuen Motortechnologie, deren Integration in den Antriebsstrang sowie deren Betrieb entsprechend gegebener Sicherheits- und Komfortanforderungen (Fahrdynamik). Gleichzeitig bieten sich im Bereich der Grundlagenforschung weitere Innovationsschritte zur Steigerung der Leistungsfähigkeit der Motortechnologie, die in diesem Förderzeitraum erschlossen und in Prototypen umgesetzt werden sollen.

Inhalt des Teilprojekts AR4:
Der abgestrahlte Lärm ist ein zentrales Problem aller elektrischen Maschinen. Dies liegt vor allem daran, dass die typische Schallemission eines Elektromotors sehr tonal und sehr hochfrequent ist und somit einerseits im Bereich der Hörfläche liegt, in dem der Mensch am besten hört, und andererseits als besonders lästig empfunden wird. Aus diesem Grund sollen im Rahmen dieses Teilprojektes Methoden und Lösungen erarbeitet werden, um das akustische Verhalten von elektrischen Maschinen signifikant zu verbessern. Das Ziel besteht nicht nur darin, den Schalldruckpegel zu reduzieren sondern zusätzlich auch ein möglichst unauffälliges beziehungsweise angenehmes Geräusch zu erzielen, weshalb das menschliche Wahrnehmungsvermögen in die Betrachtungen mit einbezogen wird. Für die Entwicklungen werden sowohl modernste kommerzielle Simulationsmethoden sowie eigene Softwareerweiterungen eingesetzt als auch umfangreiche experimentelle Untersuchungen und Hörversuche genutzt. Die experimentellen Untersuchungen umfassen Schwingungsanalysen mittels Laservibrometrie im stehenden und rotierenden System (Derotatormessungen), Messungen des Schalldrucks mit Fernfeldmikrofonen sowie Messungen mit Mikrofonarrays (akustische Kamera) in einer schallarmen Kammer. Das Ziel der experimentellen Untersuchungen besteht darin, einerseits die Simulationsmodelle zu validieren und andererseits den Mehrwert der erarbeiteten Lösungen nachzuweisen. Neben der Akustik steht der Leichtbau im Fokus. Die zu erarbeitenden Konzepte sollen sowohl akustisch unauffällig sein als auch eine minimale Masse besitzen.
Dabei werden unter anderem alternative Materialien (Al-Schaumstrukturen, Metamaterialien, GFK, CFK), innovative Dämpfungsstrategien, neuartige Konstruktionsdesigns (z.B. additive Fertigung), sowie die Einbeziehung von Anbauteilen (z.B. Getriebe) im Sinne zusätzlicher Anregungsquellen untersucht. Um sicherzustellen, dass die strukturelle Integrität trotz der ergriffenen Leichtbaumaßnahmen gewährleistet ist, werden Spannungsanalysen und Festigkeitsberechnungen durchgeführt. Diese beinhalten sowohl statische als auch dynamische Lastfälle. Die dynamischen Spannungsanalysen sind zwingend erforderlich, um den wirkenden Trägheitskräften infolge der zeitlich stark veränderlichen Vorgänge sowie den impulshaften Anregungen während typischer Betriebsszenarien Rechnung zu tragen.

22760_ Competence Center eMobility - Powertrain research area: Sub-project AR4: "Lightweight construction and acoustics of electric motors"

The eMobility Competence Center project addresses the structural challenges and develops solutions in key areas as part of a newly established competence center, which will significantly strengthen cooperation between SMEs and university research and teaching. The knowledge can be transferred directly to the affected supplier industry, where it can help to successfully manage structural change and exploit new economic opportunities. In addition to the primary objective of building up and transferring core know-how, the main focus is on the long-term anchoring of the knowledge gained in economic structures that create jobs.
Based on a multi-patented, globally unique lightweight engine concept developed by OVGU, the work in the DRIVE TRAIN research area focuses on the further development and prototypical presentation of the new engine technology, its integration into the drive train and its operation in accordance with given safety and comfort requirements (driving dynamics). At the same time, there are further innovative steps in the area of basic research to increase the performance of the engine technology, which are to be developed and implemented in prototypes during this funding period.

Content of the AR4 sub-project:
The emitted noise is a central problem of all electrical machines. This is mainly due to the fact that the typical sound emission of an electric motor is very tonal and very high-frequency and is therefore, on the one hand, in the range of the auditory surface in which humans hear best and, on the other hand, is perceived as particularly annoying. For this reason, methods and solutions are to be developed as part of this sub-project in order to significantly improve the acoustic behavior of electric machines. The aim is not only to reduce the sound pressure level but also to achieve a noise that is as unobtrusive or pleasant as possible, which is why human perception is included in the considerations. State-of-the-art commercial simulation methods and proprietary software extensions are used for the developments, as well as extensive experimental studies and listening tests. The experimental investigations include vibration analyses using laser vibrometry in a stationary and rotating system (derotator measurements), sound pressure measurements with far-field microphones and measurements with microphone arrays (acoustic camera) in an anechoic chamber. The aim of the experimental investigations is to validate the simulation models on the one hand and to demonstrate the added value of the solutions developed on the other. In addition to acoustics, the focus is on lightweight construction. The concepts to be developed should be both acoustically inconspicuous and have a minimal mass.
Among other things, alternative materials (aluminum foam structures, metamaterials, GFRP, CFRP), innovative damping strategies, novel construction designs (e.g. additive manufacturing), as well as the inclusion of add-on parts (e.g. gearboxes) in terms of additional excitation sources are investigated. Stress analyses and strength calculations are carried out to ensure that structural integrity is guaranteed despite the lightweight construction measures taken. These include both static and dynamic load cases. The dynamic stress analyses are absolutely essential in order to take account of the inertial forces acting as a result of the highly variable processes over time and the impulsive excitations during typical operating scenarios.