Pruebas NVH de motores eléctricos: Ruido, Guía de medición de vibraciones y dureza

Por el equipo de ingeniería de EconoTest · Fabricante del banco de pruebas, Llevar a la fuerza

Por qué NVH se ha vuelto fundamental para los motores de vehículos eléctricos

En un vehículo con motor de combustión interna, ruido del motor, sonido de escape, y el ruido de la carretera enmascaran la firma acústica del motor eléctrico y de la caja de cambios. En un vehículo eléctrico de batería, esas fuentes de enmascaramiento han desaparecido. gemido del motor, sonajero de engranaje, y el zumbido electromagnético se convierten en la experiencia acústica dominante en la cabina y, cada vez más, en la principal queja de calidad de los clientes.. Nvh (Ruido, Vibración y aspereza) Las pruebas para motores de vehículos eléctricos han pasado de ser algo deseable a ser una puerta de desarrollo obligatoria en la mayoría de los principales fabricantes de equipos originales..

Fuentes de ruido y vibración del motor

Ruido electromagnético

La fuente de ruido más importante en los motores PMSM y de inducción es la fuerza electromagnética entre los dientes del estator y los imanes del rotor. (o flujo del rotor). Estas fuerzas son periódicas en las frecuencias armónicas espaciales determinadas por la combinación de polo y ranura.. Para 12 polos, 36-motor de ranura, La fuerza electromagnética dominante ocurre a 12 veces la frecuencia eléctrica y sus armónicos.. En 3,000 RPM (50 hercios electricos), esto genera un 600 Tono Hz: claramente audible y a menudo descrito como un gemido motor..

La conmutación PWM desde el inversor agrega ruido adicional en la frecuencia de conmutación (normalmente de 4 a 16 kHz) y sus bandas laterales. Estos componentes de alta frecuencia son menos objetables para la mayoría de los oyentes, pero pueden causar fatiga en paneles delgados y excitar resonancias en los componentes de la carcasa del motor..

Ruido Mecánico

Ruido del rodamiento, vibración del desequilibrio del rotor, y ruido de engranaje (del reductor integral del motor) son fuentes mecánicas. El ruido de los rodamientos aparece en frecuencias específicas calculadas a partir de la geometría del rodamiento y la velocidad del eje. (BPFO, BPFI, BSF, Frecuencias FTF). El ruido del engranaje aparece en la frecuencia de paso de los dientes. (velocidad × número de dientes) y sus armónicos. un nuevo, El motor bien alineado no debe tener picos de engranajes prominentes sobre el piso de banda ancha.; Los tonos elevados de la malla de engranajes indican un error de tono., excentricidad, o contacto inadecuado del engranaje.

Resonancias estructurales

Incluso pequeñas fuerzas de excitación electromagnéticas o mecánicas pueden producir grandes niveles de ruido y vibración si coinciden con una resonancia estructural de la carcasa del motor., pila de estator, o soporte de montaje. El análisis modal identifica frecuencias naturales.; El desafío del diseño es garantizar que ningún armónico de velocidad de operación se alinee con un modo dentro del ±20% de su frecuencia..

Métodos de prueba NVH en el dinamómetro

Análisis de firma de vibración (VSA)

Monte acelerómetros en la carcasa del motor en las ubicaciones de los cojinetes. (Extremo impulsor y extremo no impulsor.) y en la caja de cambios del dinamómetro si hay un reductor. Haga funcionar el motor desde la velocidad mínima a la máxima bajo carga constante., Grabación continua de datos en el dominio del tiempo de vibración.. Postprocesamiento con FFT para producir un diagrama de cascada (frecuencia vs velocidad vs amplitud). Esto revela los componentes con seguimiento de pedidos. (subiendo con velocidad) y resonancias de frecuencia fija (frecuencia constante independientemente de la velocidad).

VSA en el banco de pruebas es la herramienta principal para el control de calidad de NVH en la producción. Se puede definir una especificación de pasa/no pasa en función de los límites de amplitud en frecuencias clave.. Un motor que excede el límite a 6 veces la frecuencia eléctrica indica asimetría del rotor; un pico en la frecuencia de engrane del engranaje indica un problema de calidad del engranaje.

Medición del nivel de potencia sonora (ISO 1680)

ISO 1680 es el estándar principal para la medición del ruido acústico de motores eléctricos.. Requiere una sala de pruebas reverberante (potencia sonora a partir del nivel de presión sonora + constante de habitación) o una cámara semianecoica (medición directa en campo libre). El motor funciona a carga y velocidad nominales.; El nivel de presión sonora se mide en una superficie de medición estándar alrededor del motor.. El nivel de potencia sonora L_W se calcula a partir del SPL promedio en toda la superficie., independiente de la geometría de la habitación.

Esta prueba normalmente se realiza en un laboratorio de acústica exclusivo., no en el banco de pruebas de producción principal. Sin embargo, La proyección preliminar en el banco de producción usando un conjunto de micrófonos más simple puede señalar unidades atípicas antes de que lleguen al laboratorio acústico..

Análisis de seguimiento de pedidos

El seguimiento de pedidos registra datos de vibración o sonido sincrónicamente con la velocidad del motor, de modo que los componentes armónicos se expresen como múltiplos de la velocidad de rotación. (pedidos) en lugar de frecuencia absoluta. Un pico de segundo orden significa una vibración a exactamente 2 veces la velocidad de rotación, independientemente de cuál sea esa frecuencia en un momento dado. El seguimiento de pedidos es particularmente útil para identificar el desequilibrio del rotor. (1primer orden), fuerzas electromagnéticas (orden = 2P donde P = pares de polos), y malla de engranajes (orden = recuento de dientes).

Métricas clave y criterios de aprobación/rechazo

Métrico	Especificación típica de un motor EV	Estándar / Método
Nivel de potencia sonora con carga nominal	<65–75dB(A) dependiendo de la clase de potencia	ISO 1680
Vibración de la carcasa (velocidad RMS)	<2.8 mm/s RMS (ISO 10816 Clase I)	ISO 10816-1
Amplitud del orden de la malla de engranajes	especificado por OEM; típicamente <0.5 m/s² en orden de malla	Seguimiento de pedidos, Especificaciones OEM
Orden del ruido electromagnético	<50 dB(A) SPL en polo × armónico de ranura	Mapa de presión sonora, Especificaciones OEM
Vibración en ralentí sin carga	<1 mm/s RMS	ISO 10816-1

Requisitos del banco de pruebas para pruebas NVH

Las pruebas NVH imponen requisitos adicionales en el banco de pruebas del dinamómetro más allá de las pruebas de rendimiento estándar.:

• Placa base aislada de vibraciones: el banco de pruebas no debe inyectar vibración del dinamómetro en la carcasa del motor. Se requieren soportes de aire o aisladores elastoméricos entre la placa base del banco y el piso del edificio.
• Acoplamiento silencioso: Los acoplamientos flexibles entre el eje de salida del motor y el transductor de par deben ser neutros en NVH.. Los acoplamientos de mordazas estándar introducen ruido de engranaje en la frecuencia del elemento de acoplamiento; Se prefieren los acoplamientos de disco o de membrana para las pruebas NVH.
• Piso de ruido de fondo: El ruido de fondo de la sala de pruebas debe ser al menos 6 dB por debajo del nivel de ruido más bajo esperado del motor. A 60 dB(A) el motor requiere un <54 dB(A) Antecedentes: se puede lograr en una sala industrial tratada, pero no en una fábrica abierta.
• Capacidad de barrido de velocidad: el dinamómetro debe ejecutar un suave, barrido de velocidad controlada desde ralentí hasta velocidad máxima en 60 a 120 segundos para la adquisición de gráficos en cascada. Los cambios de paso provocan vibraciones transitorias que contaminan el espectro

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre NVH y las pruebas de emisiones acústicas??

Nvh (Ruido, Vibración y aspereza) es un término amplio que cubre todos los aspectos sensoriales del ruido mecánico.: sonido en el aire (ruido), vibración estructural (vibración), y la percepción de rugosidad o transitorios (dureza). Emisión acústica (AE) Las pruebas son una técnica de prueba no destructiva específica que detecta ondas de tensión ultrasónicas procedentes de la propagación de grietas o del contacto con la superficie: una disciplina completamente diferente.. En el contexto de las pruebas de motores, Prueba NVH es siempre el término previsto para las pruebas de calidad de sonido..

¿En qué se diferencia el NVH del motor EV del NVH del motor tradicional??

Los motores industriales tradicionales se evalúan según ISO 10816 Límites de severidad de vibración e ISO. 1680 Estándares de potencia sonora en puntos de operación nominales fijos.. El NVH del motor EV debe cubrir todo el rango operativo (0 a máxima velocidad y par) porque el vehículo opera en este rango continuamente. Además, Las aplicaciones de vehículos eléctricos requieren métricas psicoacústicas (tonalidad, aspereza, nitidez) junto con mediciones físicas de dB, porque los ocupantes de la cabina perciben sonidos tonales (como un gemido de motor) más molesto que el ruido de banda ancha al mismo nivel de dB.

¿Se pueden integrar las pruebas NVH con las pruebas de eficiencia y rendimiento??

Sí, y este es el enfoque más rentable. Un banco de pruebas con acelerómetros y un conjunto de micrófonos ya instalados puede ejecutar análisis de firmas de vibración como medida de fondo durante la adquisición del mapa de eficiencia, sin necesidad de tiempo de prueba adicional.. Los datos del VSA validan la salud mecánica, mientras que los datos de par/velocidad/potencia cuantifican el rendimiento.. Pruebas acústicas completas según ISO 1680 requiere un entorno acústico separado, pero la detección de vibraciones en la línea de producción se integra con la prueba de rendimiento con gastos generales mínimos..

¿Qué frecuencia de muestreo se necesita para la medición de NVH del motor EV??

Para capturar armónicos de conmutación PWM (4–16kHz fundamentales, hasta 50 armónicos a 200–800 kHz), La adquisición de datos debe realizarse a 200 mínimo de kHz, con filtros anti-aliasing configurados a la mitad. Para engranajes y armónicos electromagnéticos en el rango audible (20 Hz–20kHz), 51.2 frecuencia de muestreo (estándar para sistemas DAQ de calidad de audio) es suficiente. La mayoría de los programas EV NVH utilizan un enfoque de dos canales: DAQ de calidad de audio (51.2 khz) para la banda audible y osciloscopio de alta velocidad o receptor EMI especializado para el rango de conmutación PWM.

¿Un motor más ruidoso siempre significa menor calidad??

No necesariamente, pero sí ruido tonal. (una sola frecuencia prominente, como un gemido de motor) Es desproporcionadamente molesto en comparación con el ruido de banda ancha al mismo nivel general de dB.. Un motor que es 2 dB más alto en el nivel general pero no tiene componentes tonales a menudo suena más aceptable que un motor más silencioso con un prominente 800 Hz quejido. La evaluación NVH debe incluir análisis psicoacústico. (índice de tonalidad, volumen en sone) junto con mediciones simples de dB. Por este motivo, los objetivos NVH OEM de vehículos eléctricos se escriben cada vez más en unidades psicoacústicas en lugar de físicas..