e-NVH-testning: Kombinerad analys av elektrisk effekt och NVH

Det är vanligt att betrakta testdomäner, såsom elektrisk effekt och NVH (buller, vibrationer och hårdhet), som separata enheter. Dock är kombinationen av dessa domäner avgörande för både simulering och prototyptestning. Faktum är att “multiphysics”-testning överbryggar gapet mellan teori och verklig prestanda. Denna integrerade metod gör det möjligt för ingenjörer att förutsäga, validera, testa och optimera elektriska drivsystem, såsom drivmotorer och elektriska axlar, med enastående noggrannhet och effektivitet.

Vad är e-NVH?

e-NVH (electric Noise, Vibration, and Harshness) är studiet och mätningen av buller- och vibrationsfenomen kopplade till elektriska drivlinor, såsom motorer, växelriktare och växellådor. Det kombinerar traditionella NVH-tekniker med analys av elektrisk effekt för att identifiera och optimera källor till oönskat ljud och vibration i elektriska fordon och maskiner.

Denna tvärvetenskapliga metod är avgörande för att förbättra prestanda, komfort och upplevd kvalitet i moderna elektriska mobilitetssystem. Denna artikel beskriver hur e-NVH utförs och vilka fördelar det ger.

Att överbrygga gapet mellan design och verklighet

En av de största styrkorna med att kombinera simulering med fysisk testning är dess förmåga att överbrygga gapet mellan design och verklighet.

Under de tidiga stadierna av produktutveckling kan simuleringsverktyg förutsäga e-NVH-beteende och effektförluster genom att modellera fenomen såsom elektromagnetiska krafter i permanentmagnet-synkronmotorer (PMSM) eller buller från växelriktarens switchning.

Fysisk testning är dock omedelbart nödvändig för att validera dessa förutsägelser och upptäcka effekter som inte fullt ut fångas i simulering, såsom variationer som introduceras av tillverkningsavvikelser eller materialinkonsekvenser. Till exempel kan en simulering av en elmotor förutsäga låga vibrationsnivåer, men verkliga tester kan avslöja oväntade resonanser orsakade av små variationer i kapslingens styvhet – problem som skulle förbli dolda utan empiriska data.

Denna integrerade metod ger också direkta tids- och kostnadsbesparingar. Simulering gör det möjligt för NVH-ingenjörer att snabbt iterera över designval, såsom att optimera statorskruvning eller förfina pulsbreddsmoduleringsstrategier, långt innan hårdvaruprototyper byggs. När fysiska komponenter har skapats, ger testning med datainsamlingsplattformar såsom SIRIUS, tillsammans med DewesoftX-programvara, de empiriska data som behövs för att finslipa konstruktioner och säkerställa att prestanda- och regelkrav uppfylls.

Många ingenjörer använder exempelvis simuleringsverktyg såsom COMSOL, Altair Flux och ANSYS Maxwell för att skapa prediktiva modeller, för att sedan validera dem och optimera prototyper genom att göra verkliga mätningar med SIRIUS-baserade e-NVH- och effektanalysinstrument.

Vanliga e-NVH-utmaningar och åtgärder

Trots de många fördelarna med att integrera analys av elektrisk effekt och NVH i ett enhetligt e-NVH-arbetsflöde, uppstår ofta flera utmaningar under testning och simulering som bör hanteras för att säkerställa pålitliga resultat.

Högfrekvent elektromagnetiskt brus

Moderna drivmotorer och växelriktare arbetar ofta vid höga switchfrekvenser, vilket genererar elektromagnetisk interferens (EMI) som kan förorena både elektriska och akustiska mätningar. Detta är särskilt problematiskt vid mätning av subtila NVH-signaler, såsom tonala vinningar eller kåpvibrationer.

Åtgärd: Högkvalitativ signalbehandling, inklusive isolerade ingångar, differentiell mätning och korrekt kabelskärmning, är avgörande. Dewesoft SIRIUS-moduler, till exempel, har galvanisk isolering, automatisk anti-aliasing-filtrering och ingångar med hög dynamisk räckvidd som minskar känsligheten för common-mode-brus, EMI och signalaliasing.

Synkronisering över domäner

e-NVH-analys kräver exakt korrelation mellan tidsdomänsignaler från flera domäner, inklusive elektrisk, mekanisk och akustisk. Även millisekundnivåers drift mellan dessa kanaler kan dölja grundorsakerna till vibration eller buller. 

Åtgärd: Hårdvarusynkronisering med gemensamma tidsbaser (t.ex. GPS, IRIG och PTP V2) och deterministisk provtagning över alla DAQ-moduler säkerställer att signaler är synkroniserade över domäner. Dessa metoder kan användas för att synkronisera SIRIUS XHS-moduler.

Simuleringsantaganden vs verklig variation

Simuleringsmodeller antar ofta ideala randvillkor och homogena materialegenskaper. I praktiken kan dock små tillverkningsvariationer, såsom rotorobalans eller statorfeljustering, ha betydande påverkan på vibration och buller.

Åtgärd: Verklig testning bör användas för att validera och förfina modeller. Att korrelera simulerade utdata, såsom radiala kraftvågor, med uppmätta vibrationer och ljudtrycksnivåer, ökar modellens noggrannhet och minskar antalet designiterationer.

Fånga transienta händelser

Många buller- och vibrationsfenomen, såsom växelslitage eller vridmomentrippel, är transienta och uppträder under specifika driftförhållanden (t.ex. acceleration, regenerativ bromsning). Dessa kan missas under mätningar i steady-state.

Åtgärd: Höghastighets-, händelsetriggad datainsamling med tillräckliga pre- och post-trigger-buffertar hjälper till att fånga kortvariga händelser. Verkliga tester med höghastighets mobila DAQ-plattformar, såsom SIRIUS XHS, är idealiska för detta ändamål.

Datamängd och komplexitet

e-NVH-testning genererar stora volymer högupplöst, multidomän-data, vilket skapar utmaningar för lagring, bearbetning och tolkning.

Åtgärd: Användning av integrerade mjukvaruplattformar, såsom DewesoftX, förenklar datahantering genom att lagra all synkroniserad data i ett enda filformat. Automatiserade analysskript och realtidsinstrumentpaneler underlättar ytterligare tolkning och rapportering.

Genom att proaktivt hantera dessa utmaningar med robust DAQ-hårdvara, synkroniserad datainsamling, validerad simulering och intelligenta mjukvaruarbetsflöden, kan ingenjörer maximera noggrannheten och effektiviteten i e-NVH-testprogram, vilket leder till snabbare time-to-market och mer raffinerad produktprestanda.

Användningsområden för e-NVH

Till skillnad från förbränningsmotorer, som genererar ett brett spektrum av mekaniska och akustiska bullerkällor, introducerar el-drivlinor nya och ofta subtilare källor till vibration och ljud, vilket gör e-NVH-analys nödvändig. Användningsområdena för e-NVH-testning sträcker sig långt bortom analys av motorvinning och inkluderar rutinmässigt:

• EV Drivetrain Testing: Identifiera tonalt buller och harmoniska störningar som genereras av växelriktare i elektriska motorer.

• Utveckling av elektriska axlar: Korrelera effektkartor med akustiskt buller, vibrationer och strukturella vibrationer.

• Batterikylsystem: Mäta pumpinducerade vibrationer och tillhörande tonalt buller.

• Aerospace och drönarapplikationer (eVTOL): Koppla växelriktarens switchfrekvenser till propellerakustiska emissioner.

Dessa exempel visar hur integration av elektriska, akustiska och vibrationsdomäner gör det möjligt för ingenjörer att diagnostisera problem som annars skulle vara tidskrävande att identifiera med separata mätarbetsflöden.

Relevant case studies:

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.

Testing and Validation of Small Electric Motors Using an Efficient Test Bench DesignLOGICDATA improved small electric motor testing with a flexible test bench design, using DewesoftX software for efficient motor analysis. Key features included automated motor mode detection, efficiency mapping, and thermography for fault detection. This setup reduced testing time, improved data accuracy, and optimized motor performance, ultimately streamlining LOGICDATA's development process.

Diagnostisering av komplexa, tvärvetenskapliga problem

Utöver validering spelar denna metodkombination en avgörande roll för att diagnostisera komplexa, multidisciplinära problem. Analys av elektriska frekvenser kan avslöja anomalier såsom strömharmoniker eller obalanserade laster. Samtidigt kopplar samtidig e-NVH-testning dessa elektriska fenomen till hörbart buller eller mekanisk vibration, till exempel vid identifiering av en 48:e ordningens vinning i ett elfordon orsakad av statorfackharmoniker.

I vissa fall kan vad som verkar vara ett mekaniskt fel—t.ex. överdriven propellervibration i en drönare—genom FFT-analys spåras tillbaka till vridmomentsrippel orsakad av växelriktare, vilket understryker värdet av en integrerad diagnostisk metod.

Ordertracking är särskilt viktigt i detta sammanhang. Genom att karta buller och vibration till motorordningar, kugghjulsmeshingfrekvenser och även till växelriktarens switchharmoniker, kan ingenjörer snabbt identifiera grundorsaker och implementera designändringar som riktar sig mot den verkliga källan till oönskade fenomen.

DewesoftX order analysis-modul möjliggör ordertrackad demodulerad bearbetning baserat på växelriktarens switchfrekvens, vilket tillåter direkt undersökning av växelriktarinducerade harmoniska effekter, även online medan maskinen är i drift. Du kan utföra sådan online-analys exempelvis genom att justera hastigheter, temperatur och vridmomentsbelastningar, samt genom att använda variabel switchfrekvens.

SuperCounters för ordertracking

Rotationsvinkelsdata krävs för ordertrackade beräkningar, och detta kan erhållas genom att mäta en analog tachopulssignal, men denna metod har begränsad vinkelprecision. En bättre lösning är SuperCounter®-teknik från Dewesoft. SuperCounters tillhandahåller ultraprecis vinkelinformation, vilket möjliggör exakt korrelation mellan rotationsordningar och vibrations-/buller-mätningar, även vid mycket låga rotationshastigheter.

Learn more:

Measuring RPM, Angle, and Speed Using Digital, Encoder and Counter SensorsIn this article, we will discuss how you can measure digital signals, digital encoders, tachometers and RPM sensors with Data Acquisition (DAQ) systems.

Analys av beställningarBuller- och vibrationsanalys för roterande och fram- och återgående maskiner.

Multiphysics-optimering: simulering möter verklighet

Kombinationen av simulering och testning möjliggör även multiphysics-optimering. Avancerade modelleringsplattformar tillåter koppling av elektromagnetiska, strukturella och akustiska domäner för att optimera komponentdesignen på ett helhetligt sätt.

Fysisk testning ger sedan de verkliga data som behövs för att kalibrera modellerna, vilket förbättrar deras prediktiva noggrannhet genom att integrera empiriskt bestämda dämpningsförhållanden, elektromagnetiskt brus, vibrationer och andra EMI-effekter, samt andra relevanta parametrar.

Till exempel är Tesla känt för att simulera radiala kraftvågor för att minimera vibrationer i motorkåpan, för att sedan verifiera resultaten med fysiska mätningar. Denna process kombinerar virtuella och verkliga insikter för optimal prestanda.

Slutligen ligger detta integrerade arbetsflöde till grund för moderna strategier för prediktivt underhåll och AI‑driven analys. Kontinuerlig övervakning av elektriska signaler och vibrationer—insamlat via strömsensorer, accelerometrar och annan instrumentering—kan mata live-data till digitala tvillingmodeller. Dessa modeller använder sedan trendanalys av NVH- och effekt-signaturer för att uppskatta återstående nyttjandeperiod och förutsäga kommande fel.

Till exempel använder vissa leverantörer Motor Current Signature Analysis (MCSA) i kombination med vibrationsövervakning för att förutse lagerförslitning i vindkraftverk, vilket möjliggör proaktivt underhåll som minskar driftstopp och livscykelkostnader.

Överensstämmelse med standarder

För att säkerställa spårbarhet och jämförbarhet följer e-NVH-testning ofta internationella standarder, såsom:

Arbetsflöde för e‑NVH-testning

Ett typiskt e‑NVH-testningsarbetsflöde kombinerar simulering, prototyptestning och multiphysics-dataintegration:

1. Simulering och fördesign: Användning av plattformar såsom ANSYS Maxwell eller COMSOL för att modellera magnetiska krafter, växelriktarbrus och strukturella vibrationssvar.

2. Prototypframtagning och integrerad testning: Inspelning av synkroniserad akustisk, vibrations- och elektrisk data med SIRIUS och annan Dewesoft DAQ-hårdvara samt DewesoftX-mjukvara.

3. Dataintegration och analys: Tillämpning av ordertracking, ljudintensitetskartering, effektkvalitetsanalys och effektivitetskartläggning i DewesoftX för att generera handlingsbara insikter.

4. Korrelation och optimering: Jämförelse av simuleringsprognoser med verkliga mätningar för att förfina modeller och fatta informerade designbeslut. Till exempel kan simuleringsverktyg förutsäga emitterat buller från elmotorer, men endast verkliga mätningar, såsom vibrationer och ljudtrycksnivåer, kan validera dessa prognoser med säkerhet.

5. Digital tvilling och prediktivt underhåll: Integrering av kombinerade multiphysics-dataset i digitala tvillingramverk för livscykelövervakning och prediktivt underhåll.

Detta enhetliga arbetsflöde säkerställer att verkliga beteenden fångas tidigt och integreras i designfasens loop, vilket möjliggör ”first‑time‑right”-designs och minskar kostsamma iterationer.

Ett enhetligt DAQ-ekosystem

Dewesoft DAQ-instrument, såsom SIRIUS och SIRIUS XHS line, finns i olika formfaktorer, från mycket portabla 8-kanalsmoduler till större instrument integrerade med dator och display. De fungerar lika bra på ett dynamometertestbord som vid fälttester i fordon.

Alla Dewesoft DAQ instruments kan kopplas samman och synkroniseras, vilket skapar ett sammanhängande ekosystem. Detta minskar hårdvarukostnader avsevärt och säkerställer att alla instrument är interoperabla, vilket gör det möjligt att byta ut dem efter behov.

Detta enhetliga DAQ-ekosystem reducerar även utbildningskostnader och förebygger driftfel. Det eliminerar behovet av flera fristående system (var och en med en egen inlärningskurva), tar bort tidskrävande dataintegration, och effektiviserar utbildning genom att standardisera på en enda mjukvaruplattform.

En integrerad DAQ-mjukvarulösning

Dewesofts e‑NVH-system är baserade på en enda mjukvaruapplikation: DewesoftX. Investeringskostnaderna minskar genom att behovet av separata mjukvarulicenser och löpande underhållsavgifter elimineras. Basprogramvarupaketet ingår kostnadsfritt tillsammans med Dewesoft DAQ-hårdvara, och uppdateringar och uppgraderingar är fria under systemets hela livslängd. Specifika avancerade moduler, såsom effektkvalitetsanalysatorn, är tillval mot betalning; dock stöds även dessa med gratis uppdateringar och uppgraderingar under systemets livslängd.

Genom att använda ett enda mångsidigt DAQ-system istället för flera specialiserade system blir testarkitekturen mindre komplex, och all insamlad data lagras i ett enhetligt filformat, vilket eliminerar den tidskrävande processen att sammanfoga data från olika källor.

Denna konsolidering kan även leda till kortare utvecklingscykler, eftersom integration av ett DAQ-system är mycket enklare än att hantera flera. Det minskar även utbildningsbehovet, eftersom personalen kan lära sig en enda mjukvaruplattform, DewesoftX, som sedan kan användas för flera olika tillämpningar.

Med färre instrument att kalibrera och inga löpande mjukvarukostnader hålls underhållsutgifterna till ett minimum. Vidare minskar förenklingen av verktygskedjan antalet potentiella supportproblem, samtidigt som hög datakvalitet och full funktionalitet bibehålls. I vissa fall minskar denna metod även antalet specialister som krävs för testning, eftersom experter inom områden som e‑NVH eller elektriska drivsystem kan tvärutbildas för att arbeta effektivt över discipliner.

För slutanvändare erbjuder DewesoftX DAQ-mjukvara en strömlinjeformad och intuitiv upplevelse inom en enda mjukvarumiljö som hanterar ett brett spektrum av testsituationer. Plattformen stödjer flera användare, vilket möjliggör samarbete över team samtidigt som antalet mjukvarupaket som behöver läras minimeras, vilket betydligt reducerar komplexiteten. Genom att hålla all data i en enda, tids-synkroniserad fil elimineras behovet av export, konvertering eller sammanslagning, vilket möjliggör mycket snabbare och effektivare datautbyte mellan experter i olika domäner.

Slutsats

Genom att kombinera analys av elektriska drivlinor med e‑NVH-utvärdering i en enhetlig multiphysics NVH-simuleringsmiljö kan ingenjörer avsevärt minska antalet fysiska prototyper som krävs under utvecklingsprocessen. När denna metod kombineras med omfattande multiphysics-testning—helst utförd inom ett enda, integrerat ekosystem—säkerställs att kritiska verkliga beteenden fångas utan att workflowet blir onödigt komplext.

Den nära korrelationen mellan simulering och mätning möjliggör en ”first‑time‑right”-designprocess, vilket påskyndar utvecklingstiden samtidigt som alla viktiga prestandaegenskaper uppfylls. Multiphysics-testning, tillämpad både i simulering och verkliga tester, är nu en grundsten för att uppnå optimal prestanda, effektivitet och användartillfredsställelse i moderna elektriska drivsystem.

Vanliga frågor (FAQs)

1. Vad är egentligen “e-NVH”-testning?

En kombinerad mätning av elektriska (effekt) och NVH (ljud, vibration, hårdhet) fenomen på elektriska drivsystem, tids-synkroniserad för multidomänanalys.

2. Hur skiljer sig e-NVH från traditionell NVH?

Traditionell NVH fokuserar enbart på mekaniska/akustiska utdata, medan e-NVH kopplar dessa utdata tillbaka till elektriska signaler (t.ex. växelriktarens strömmar).

3. Varför är SuperCounters viktiga för ordertracking?

De ger ultraprecis rotationsvinkelreferens, vilket möjliggör exakt korrelation mellan rotationsordrar och vibration/ljudmätningar, även vid mycket låga hastigheter.

4. Vilka simuleringsplattformar stöder e-NVH-arbetsflöden?

Vanliga verktyg inkluderar COMSOL Multiphysics, ANSYS Maxwell med System Coupling, och Altair Flux, som erbjuder elektromagnetisk-strukturell eller elektro-akustisk kopplingsmodul.

5. Hur kalibrerar man en simuleringsmodell med verkliga testdata?

Genom att importera uppmätta dämpningsfaktorer, styvhetsvärden, modesformer och EMI-signaturer från prototyptester till din multiphysics-modell kan randvillkor och materialegenskaper förfinas.

6. Vilken DAQ-hårdvara krävs för e-NVH?

Minimalt krävs: flerekanals effektanalysatorer, accelerometrar, mikrofoner, hög-hastighets tacho (eller SuperCounter), och ett synkroniserat DAQ-system såsom SIRIUS.

7. Hur ställer man in tids-synkronisering mellan flera sensorer?

Använd EtherCAT eller annan deterministisk buss för att distribuera en gemensam klocka till alla moduler och verifiera synkronisering med simultant trigger eller en känd testsignal.

8. Vad är ordertracking och varför är det viktigt?

Ordertracking kartlägger vibrationer eller ljud mot harmoniker av rotationshastighet (ordrar), vilket möjliggör identifiering av specifika källor, såsom kugghjulsspel eller spårhålsharmoniker.

9. Kan jag retrofit e-NVH-testning på ett befintligt drivlinetestbord?

Ja, genom att lägga till synkront triggrade DAQ-kanaler (t.ex. Dewesoft SuperCounters), montera accelerometrar och mikrofoner på optimala platser, och integrera befintlig effektanalysator.

10. Vilka internationella standarder styr e-NVH-mätningar?

Viktiga standarder inkluderar: ISO 9614 (ljudintensitet), ISO 3744 (ljudstyrka), ISO 2631 (mänsklig kroppsvibration), och IEC 61000-4-7 (elektriska harmoniker).

11. Hur används e-NVH i digitala tvillingar och prediktivt underhåll?

Live e-NVH-signaturer kan uppdatera tvillingens akustiska och vibrerande delmodeller och driva algoritmer som förutser återstående livslängd baserat på avvikelser i trenddata.

12. Vilken ROI kan jag förvänta mig genom att implementera e-NVH tidigt i utvecklingen?

Färre prototypsiterationer leder direkt till tids- och kostnadsbesparingar, och lönsamheten förbättras alltid genom ökad kundtillfredsställelse.