Testes e-NVH: Combinando Potência Elétrica e Análise de NVH

É prática comum considerar domínios de teste, como potência elétrica e NVH (ruído, vibração e aspereza), como entidades separadas. No entanto, a combinação desses domínios é crucial para simulação e testes de protótipos. De fato, os testes “multiphysics” preenchem a lacuna entre a teoria e o desempenho no mundo real. Esta abordagem integrada permite que os engenheiros prevejam, validem, testem e otimizem acionamentos elétricos, como motores de tração e eixos elétricos, com precisão e eficiência sem precedentes.

O que é e-NVH?

e-NVH, ruído, vibração e aspereza elétrica, é o estudo e a medição de fenómenos de ruído e vibração associados a sistemas de tração elétrica, como motores, inversores e caixas de engrenagens. Combina técnicas tradicionais de NVH com análise de potência elétrica para identificar e otimizar fontes de som e vibração indesejados em veículos e máquinas elétricas.

Esta abordagem multidisciplinar é essencial para melhorar o desempenho, o conforto e a qualidade percebida nos sistemas modernos de mobilidade elétrica. Este artigo descreve como o e-NVH é realizado e as suas vantagens.

Reduzindo a diferença entre o design e a realidade

Um dos maiores pontos fortes da combinação de simulação com testes físicos é a sua capacidade de reduzir a diferença entre o design e a realidade.

Durante as fases iniciais do desenvolvimento de produto, as ferramentas de simulação podem prever o comportamento e-NVH e as perdas de potência ao modelar fenómenos como forças eletromagnéticas em motores síncronos de ímanes permanentes, PMSM, ou ruído de comutação de inversores.

No entanto, os testes físicos continuam a ser indispensáveis para validar estas previsões e revelar efeitos que não são totalmente captados na simulação, como variações introduzidas por tolerâncias de fabrico ou inconsistências de materiais. Por exemplo, uma simulação de um motor elétrico pode prever baixos níveis de vibração. No entanto, testes reais podem revelar ressonâncias inesperadas causadas por pequenas variações na rigidez da carcaça, problemas que permaneceriam ocultos sem dados empíricos.

Esta abordagem integrada também gera poupanças diretas de tempo e custos. A simulação permite aos engenheiros NVH iterar rapidamente nas escolhas de design, como otimizar o desfasamento do estator ou ajustar estratégias de modulação por largura de impulso, muito antes da construção de protótipos. Quando os componentes físicos estão disponíveis, testá-los com plataformas de aquisição de dados como o SIRIUS, utilizando o software DewesoftX, fornece os dados empíricos necessários para afinar os designs e garantir conformidade com requisitos de desempenho e regulamentares.

Muitos engenheiros utilizam ferramentas de simulação como COMSOL, Altair Flux e ANSYS Maxwell para criar modelos preditivos, depois validam e otimizam os seus protótipos com medições reais utilizando instrumentos e-NVH e de análise de potência baseados em SIRIUS.

Desafios comuns no e-NVH e mitigação

Apesar das vantagens de integrar análise elétrica e NVH num fluxo de trabalho unificado, existem vários desafios frequentes durante testes e simulação que devem ser considerados para garantir resultados fiáveis.

Ruído eletromagnético de alta frequência

Motores de tração e inversores modernos operam frequentemente a altas frequências de comutação, gerando interferência eletromagnética que pode contaminar medições elétricas e acústicas. Isto é particularmente problemático ao medir sinais NVH subtis, como ruídos tonais ou vibrações da carcaça.

Mitigação: condicionamento de sinal de alta qualidade, entradas isoladas, medições diferenciais e blindagem adequada de cabos. Os módulos SIRIUS, por exemplo, incluem isolamento galvânico, filtragem anti-aliasing automática e elevado alcance dinâmico.

Sincronização entre domínios

A análise e-NVH requer correlação precisa entre sinais de diferentes domínios, elétrico, mecânico e acústico. Mesmo pequenas diferenças temporais podem ocultar a origem do ruído ou vibração.

Mitigação: sincronização ao nível do hardware com bases de tempo comuns, como GPS, IRIG ou PTP V2, e amostragem determinística.

Diferença entre modelos e realidade

Os modelos assumem condições ideais, mas pequenas variações de fabrico podem afetar significativamente vibração e ruído.

Mitigação: validação com testes reais e correlação entre simulação e medições.

Captura de eventos transitórios

Fenómenos como ripple de binário ou folgas de engrenagem são transitórios e podem não aparecer em medições estacionárias.

Mitigação: aquisição de alta velocidade com triggers e buffers adequados.

Volume e complexidade de dados

Testes e-NVH geram grandes volumes de dados multidomínio.

Mitigação: uso de software integrado como DewesoftX, com armazenamento sincronizado e análise automatizada.

Casos de uso do e-NVH

Ao contrário dos motores de combustão interna, os sistemas elétricos apresentam fontes de ruído mais subtis, tornando a análise e-NVH essencial. Aplicações incluem:

• Testes de transmissões elétricas em veículos elétricos

• Desenvolvimento de eixos elétricos

• Sistemas de arrefecimento de baterias

• Aplicações aeroespaciais e drones

Estes exemplos demonstram como a integração dos domínios elétrico, acústico e vibracional permite aos engenheiros diagnosticar problemas que seriam demorados de identificar utilizando fluxos de medição separados.

Estudos de caso relevantes:

Correlating Power Measurements with Electromotor Vibration DataLearn how the automation of the report generation process provided to be a huge time-saver after acquiring data with Dewesoft measurement equipment.

Teste e validação de pequenos motores elétricos usando um projeto eficiente de bancada de ensaioA LOGICDATA melhorou os testes de pequenos motores elétricos com um banco de ensaio flexível, usando o software DewesoftX para análise eficiente de motores. As principais funcionalidades incluíram detecção automática do modo do motor, mapeamento de eficiência e termografia para detecção de falhas. Esta configuração reduziu o tempo de teste, melhorou a precisão dos dados e otimizou o desempenho do motor, simplificando, em última instância, o processo de desenvolvimento da LOGICDATA.

Diagnóstico de problemas complexos e multidisciplinares

Para além da validação, esta combinação de métodos é essencial para diagnosticar problemas complexos. A análise de frequência elétrica pode revelar anomalias como harmónicos de corrente ou cargas desequilibradas, enquanto os testes e-NVH relacionam esses fenómenos com ruído audível ou vibração mecânica, como um ruído de 48ª ordem causado por harmónicos do estator.

Em alguns casos, o que parece ser uma falha mecânica pode, através de análise FFT, ser identificado como ripple de binário induzido pelo inversor, evidenciando o valor de uma abordagem integrada.

A análise por ordens é fundamental neste contexto. Ao relacionar ruído e vibração com ordens do motor, frequências de engrenamento e harmónicos do inversor, é possível identificar rapidamente as causas e implementar melhorias de design.

O módulo de análise por ordens do DewesoftX permite processamento demodulado com seguimento de ordens baseado na frequência de comutação do inversor, possibilitando a análise direta de efeitos harmónicos, mesmo em tempo real durante o funcionamento da máquina. Esta análise pode ser feita ajustando velocidade, temperatura, carga de binário ou frequência de comutação.

SuperCounters para análise por ordens

Os cálculos por ordens requerem dados de ângulo de rotação, que podem ser obtidos com sinais tacho analógicos, embora com precisão limitada. A tecnologia SuperCounter® da Dewesoft oferece uma solução mais precisa, fornecendo referência angular de alta precisão e permitindo correlação exata entre ordens e medições de vibração e ruído, mesmo a baixas rotações.

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Medindo RPM, ângulo e velocidade usando sensores digitais, codificadores e contadoresNeste artigo, discutiremos como você pode medir sinais digitais, codificadores digitais, tacômetros e sensores de RPM com sistemas de aquisição de dados (DAQ).

Análise de ordemAnálise de ruído e vibração para máquinas rotativas e recíprocas

Otimização multifísica: simulação encontra a realidade

A combinação de simulação e testes permite a otimização multifísica. Plataformas avançadas possibilitam a integração dos domínios eletromagnético, estrutural e acústico para otimizar o design de forma global.

Os testes físicos fornecem dados reais para calibrar os modelos, melhorando a precisão ao incluir fatores como amortecimento, ruído eletromagnético, vibração e interferência eletromagnética, entre outros.

Por exemplo, a Tesla simula ondas de força radial para reduzir a vibração da carcaça do motor e depois valida os resultados com medições reais, combinando simulação e dados experimentais para melhor desempenho.

Por fim, este fluxo de trabalho integrado suporta estratégias modernas de manutenção preditiva e análise baseada em IA. A monitorização contínua de sinais elétricos e vibração pode alimentar modelos de gémeo digital, que utilizam tendências de NVH e potência para estimar a vida útil e prever falhas.

Por exemplo, a análise MCSA combinada com monitorização de vibração pode antecipar a degradação de rolamentos em turbinas eólicas, permitindo manutenção preventiva e redução de custos.

Conformidade com normas

Para garantir rastreabilidade e comparabilidade, os testes e-NVH seguem frequentemente normas internacionais, como:

Fluxo de trabalho para testes e-NVH

Um fluxo de trabalho típico de testes e-NVH combina simulação, testes de protótipos e fusão de dados multifísica:

1. Simulação e pré-design: utilização de plataformas como ANSYS Maxwell ou COMSOL para modelar forças magnéticas, ruído de comutação do inversor e respostas estruturais de vibração

2. Prototipagem e testes integrados: aquisição de dados acústicos, de vibração e elétricos sincronizados com hardware SIRIUS e software DewesoftX

3. Fusão e análise de dados: aplicação de análise por ordens, mapeamento de intensidade sonora, análise de qualidade de energia e eficiência no DewesoftX

4. Correlação e otimização: comparação entre simulação e medições reais para melhorar modelos e decisões de design

5. Gémeo digital e manutenção preditiva: utilização de dados multifísicos para monitorização e previsão de falhas

Este processo garante que o comportamento real é considerado desde cedo, permitindo designs corretos à primeira e reduzindo iterações dispendiosas.

Ecossistema DAQ unificado

Os sistemas Dewesoft, como SIRIUS e SIRIUS XHS, estão disponíveis em vários formatos, desde módulos portáteis de 8 canais até sistemas maiores com computador integrado, sendo adequados tanto para bancada como para testes em estrada.

Todos os sistemas Dewesoft podem ser interligados e sincronizados, formando um ecossistema unificado. Isto reduz custos de hardware, assegura interoperabilidade e permite substituir instrumentos conforme necessário.

Este ecossistema também reduz custos de formação e erros operacionais, eliminando múltiplos sistemas independentes, evitando fusão de dados e simplificando o trabalho com uma única plataforma de software.

Uma solução de software DAQ integrada

Os sistemas e-NVH da Dewesoft baseiam-se numa única aplicação de software: DewesoftX. Os custos de investimento são reduzidos ao limitar a necessidade de licenças de software separadas e de custos contínuos de manutenção. O pacote de software base está incluído sem custos com o hardware DAQ da Dewesoft, e as atualizações e upgrades são gratuitos durante toda a vida útil do sistema. Módulos avançados específicos, como o analisador de qualidade de energia, são opções pagas; no entanto, também são suportados com atualizações e upgrades gratuitos durante toda a vida útil do sistema.

Ao utilizar um único sistema DAQ versátil em vez de vários sistemas especializados, a arquitetura global de teste torna-se menos complexa, e todos os dados adquiridos são armazenados num formato de ficheiro unificado, eliminando a tarefa demorada de combinar dados de diferentes fontes.

Esta consolidação também pode levar a ciclos de desenvolvimento mais curtos, uma vez que integrar um único sistema DAQ é muito mais simples do que gerir vários. Também reduz os requisitos de formação, permitindo que a equipa aprenda apenas uma plataforma de software, o DewesoftX. A mesma plataforma pode assim servir múltiplas aplicações.

Com menos instrumentos para calibrar e sem custos de manutenção de software, os custos de manutenção são reduzidos ao mínimo. Além disso, a simplificação do ecossistema reduz o número de possíveis problemas de suporte, mantendo elevada qualidade de dados e total funcionalidade. Em alguns casos, esta abordagem até reduz o número de especialistas necessários para testes, uma vez que especialistas em áreas como e-NVH ou acionamentos elétricos podem ser formados para trabalhar eficazmente entre diferentes disciplinas.

Para os utilizadores finais, o software DAQ DewesoftX proporciona uma experiência simplificada e intuitiva dentro de um único ambiente que suporta uma ampla gama de cenários de teste. A plataforma suporta múltiplos utilizadores, permitindo colaboração entre equipas enquanto minimiza o número de ferramentas que precisam de ser aprendidas, reduzindo significativamente a complexidade. Ao manter todos os dados num único ficheiro sincronizado no tempo, elimina-se a necessidade de exportar, converter ou combinar dados, permitindo uma troca de informação muito mais rápida e eficiente entre especialistas de diferentes áreas.

Conclusão

Ao combinar a análise de powertrain elétrico com avaliação e-NVH num ambiente multifísico unificado, os engenheiros podem reduzir significativamente o número de protótipos físicos necessários durante o desenvolvimento. Quando esta abordagem é combinada com testes multifísicos extensivos, idealmente realizados num único ecossistema integrado, garante-se que os comportamentos reais são captados sem adicionar complexidade desnecessária ao fluxo de trabalho.

A forte correlação entre simulação e medição permite um processo de design “first-time-right”, acelerando o desenvolvimento enquanto cumpre todos os requisitos de desempenho. O teste multifísico, aplicado tanto em simulação como em medições reais, é hoje fundamental para alcançar desempenho, eficiência e satisfação do utilizador em sistemas modernos de acionamento elétrico.

FAQs

1. O que é exatamente o teste “e-NVH”?
   Uma medição combinada de fenómenos elétricos, potência e NVH, ruído, vibração e aspereza, em acionamentos elétricos, sincronizada no tempo para análise multidomínio.

2. Como difere o e-NVH do NVH tradicional?
   O NVH tradicional foca-se apenas em saídas mecânicas e acústicas, enquanto o e-NVH liga esses resultados a sinais elétricos, como correntes de comutação do inversor.

3. Porque são os SuperCounters essenciais para análise por ordens?
   Fornecem referência angular extremamente precisa, permitindo correlação exata entre ordens rotacionais e medições de vibração e ruído, mesmo a velocidades muito baixas.

4. Que plataformas de simulação suportam fluxos de trabalho e-NVH?
   Ferramentas como COMSOL Multiphysics, ANSYS Maxwell com System Coupling e Altair Flux.

5. Como calibrar um modelo de simulação com dados reais?
   Importando dados medidos como rácios de amortecimento, rigidez, formas modais e assinaturas EMI para refinar o modelo multifísico.

6. Que hardware DAQ é necessário para e-NVH?
   Analisadores de potência multicanal, acelerómetros, microfones, tacómetro de alta velocidade ou SuperCounter e um sistema DAQ sincronizado, como SIRIUS.

7. Como sincronizar sensores no tempo?
   Utilizando EtherCAT ou outro sistema determinístico com relógio comum e verificação com sinal de referência.

8. O que é análise por ordens e porque é importante?
   Relaciona vibração e ruído com harmónicos da velocidade de rotação, permitindo identificar fontes específicas.

9. É possível adaptar e-NVH a um banco de testes existente?
   Sim, adicionando canais DAQ sincronizados, sensores e integração com analisadores de potência.

10. Que normas internacionais regulam medições e-NVH?
    ISO 9614, ISO 3744, ISO 2631 e IEC 61000-4-7.

11. Como o e-NVH contribui para gémeos digitais e manutenção preditiva?
    Os dados e-NVH atualizam modelos e permitem prever falhas e vida útil.

12. Qual o retorno do investimento?
    Menos protótipos, menor custo e maior satisfação do cliente.