{"id":1512,"date":"2024-05-02T16:50:29","date_gmt":"2024-05-02T16:50:29","guid":{"rendered":"https:\/\/www.grupossc.com\/blog\/?p=1512"},"modified":"2024-05-02T16:57:39","modified_gmt":"2024-05-02T16:57:39","slug":"como-disenar-un-motor-silencioso","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/grupossc.com\/blog\/2024\/05\/02\/como-disenar-un-motor-silencioso\/","title":{"rendered":"C\u00f3mo Dise\u00f1ar un Motor Silencioso"},"content":{"rendered":"

[vc_row][vc_column][vc_column_text dp_text_size=\u00bbsize-4″]Con la aparici\u00f3n de los veh\u00edculos el\u00e9ctricos (EV), el an\u00e1lisis de ruido y vibraciones del motor el\u00e9ctrico se ha convertido en una parte muy importante del dise\u00f1o de sistemas de propulsi\u00f3n el\u00e9ctricos. El motor de tracci\u00f3n el\u00e9ctrica es ahora el \u00fanico componente de propulsi\u00f3n de un veh\u00edculo el\u00e9ctrico y su ruido ya no est\u00e1 enmascarado por un motor. Por lo tanto, es fundamental dise\u00f1ar un motor silencioso, ya que cualquier chirrido no deseado del motor provocar\u00eda ruidos y vibraciones desagradables al conductor. Sin embargo, la reducci\u00f3n del ruido no deseado del motor no se limita en modo alguno a los motores de tracci\u00f3n el\u00e9ctricos. En muchas otras aplicaciones de motores, como accionamientos industriales, HVAC y turbinas e\u00f3licas, la reducci\u00f3n del ruido y la vibraci\u00f3n del motor son aspectos de dise\u00f1o importantes.<\/span>[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb30″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_column_text]<\/p>\n

\u00bfQu\u00e9 tan ruidoso es el dise\u00f1o de mi motor?<\/span><\/h2>\n

[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_column_text dp_text_size=\u00bbsize-4″]El ruido y la vibraci\u00f3n son causados \u200b\u200bpor una combinaci\u00f3n de excitaciones (fuerzas electromagn\u00e9ticas generadas por el motor) y la din\u00e1mica estructural del motor, es decir, las frecuencias naturales de la estructura. Una combinaci\u00f3n desafortunada conduce a un gemido agudo, que generalmente es causado por una fuerza de excitaci\u00f3n alta que se alinea con una frecuencia natural dominante de la estructura motora.<\/span>[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_single_image image=\u00bb1515″ img_size=\u00bbfull\u00bb alignment=\u00bbcenter\u00bb][vc_column_text]<\/p>\n

Figura 1. El chirrido del motor a menudo es causado por una fuerza de excitaci\u00f3n alta que se alinea con una frecuencia natural dominante de la estructura del motor.<\/em><\/p>\n

[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_column_text dp_text_size=\u00bbsize-4″]Podemos demostrar c\u00f3mo evaluar los niveles de ruido en un motor el\u00e9ctrico con un ejemplo. A continuaci\u00f3n se muestra un motor de tracci\u00f3n automotriz t\u00edpico. Se trata de una topolog\u00eda de motor de im\u00e1n permanente interior (IPM) con ocho polos y 48 ranuras.<\/span>[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_single_image image=\u00bb1516″ img_size=\u00bbfull\u00bb alignment=\u00bbcenter\u00bb][vc_column_text]<\/p>\n

Figura 2. Un motor de tracci\u00f3n t\u00edpico de un autom\u00f3vil.<\/em><\/p>\n

[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_column_text dp_text_size=\u00bbsize-4″]Una forma sencilla de evaluar en qu\u00e9 frecuencias es probable que obtengamos picos en la respuesta ac\u00fastica es mediante un diagrama de Campbell. Este diagrama muestra las frecuencias (\u00f3rdenes) de excitaci\u00f3n dominantes como l\u00edneas diagonales con una relaci\u00f3n lineal entre la frecuencia y la velocidad de rotaci\u00f3n. Las frecuencias naturales de la estructura del estator del motor el\u00e9ctrico se muestran como l\u00edneas verticales.<\/span>[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_single_image image=\u00bb1517″ img_size=\u00bbfull\u00bb alignment=\u00bbcenter\u00bb][vc_column_text]<\/p>\n

Figura 3. El diagrama de Campbell.<\/em><\/p>\n

[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_column_text dp_text_size=\u00bbsize-4″]Los picos de ruido suelen producirse donde las l\u00edneas se cruzan, lo que significa que a esa frecuencia, la fuerza electromagn\u00e9tica excita un modo estructural del estator. Para nuestro ejemplo, los modos estructurales m\u00e1s importantes son F0 (un modo de respiraci\u00f3n excitado por la fuerza promedio alrededor del estator que cambia con el tiempo) y F8, un modo octa\u00e9drico excitado por la frecuencia de forzado fundamental debido a que el motor tiene ocho polos.<\/span>[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_column_text dp_text_size=\u00bbsize-4″]Un espectrograma muestra la respuesta ac\u00fastica para cada orden de frecuencia. Cuando el orden de frecuencia cruza una frecuencia natural, la amplitud de la respuesta ac\u00fastica, o potencia del sonido, es m\u00e1xima, como se muestra en el espectrograma a continuaci\u00f3n.<\/span>[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_single_image image=\u00bb1519″ img_size=\u00bbfull\u00bb alignment=\u00bbcenter\u00bb][vc_column_text]<\/p>\n

Figura 4. Cuando el orden de frecuencia cruza una frecuencia natural, la amplitud de la respuesta ac\u00fastica, o potencia del sonido, es m\u00e1xima.<\/em><\/p>\n

[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_column_text dp_text_size=\u00bbsize-4″]Al tomar una secci\u00f3n transversal de cada orden dominante (el llamado \u00abcorte de orden\u00bb), podemos trazar la potencia del sonido ac\u00fastico en funci\u00f3n de la velocidad de funcionamiento del motor. Esto nos permite identificar a qu\u00e9 velocidades\/frecuencias se produce la mayor respuesta.<\/span>[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_single_image image=\u00bb1520″ img_size=\u00bbfull\u00bb alignment=\u00bbcenter\u00bb][vc_column_text]<\/p>\n

Figura 5. Gr\u00e1fico que identifica qu\u00e9 velocidades\/frecuencias provocan la mayor respuesta.<\/em><\/p>\n

[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_column_text]<\/p>\n

C\u00f3mo y cu\u00e1ndo mejorar un dise\u00f1o para reducir el ruido<\/h2>\n

[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_column_text dp_text_size=\u00bbsize-4″]El dise\u00f1o de motores el\u00e9ctricos es un proceso complejo que involucra m\u00faltiples dominios f\u00edsicos. Un dise\u00f1ador de motores necesita evaluar qu\u00e9 tan ruidoso es su dise\u00f1o en las primeras etapas del proceso de dise\u00f1o, cuando se pueden realizar cambios f\u00e1cilmente. Para ello, un dise\u00f1ador de motores necesita acceso a una herramienta r\u00e1pida de an\u00e1lisis de ruido, vibraci\u00f3n y aspereza (NVH) durante el dise\u00f1o conceptual de sus motores el\u00e9ctricos. Un dise\u00f1ador de motores probablemente buscar\u00eda reducir las excitaciones electromagn\u00e9ticas, pero el siguiente ejemplo muestra que es muy importante considerar la respuesta ac\u00fastica del motor a estas excitaciones si queremos reducir el ruido.<\/span>[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_column_text dp_text_size=\u00bbsize-4″]Para nuestro motor de ejemplo, los picos m\u00e1s altos en la respuesta ac\u00fastica se producen a 8400 rpm y 9600 rpm. En el espectrograma, podemos ver claramente que a estas velocidades, se produce un pico cuando los \u00f3rdenes arm\u00f3nicos 12 y 14 cruzan las frecuencias naturales de la estructura del estator (F0 y F8).<\/span>[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_column_text dp_text_size=\u00bbsize-4″]Un an\u00e1lisis 2D de transformada r\u00e1pida de Fourier (FFT) de las excitaciones de fuerza radial muestra que la mayor respuesta de ruido para nuestro motor de ejemplo proviene de tres peque\u00f1as excitaciones resaltadas en el siguiente gr\u00e1fico. La raz\u00f3n por la que estos peque\u00f1os arm\u00f3nicos generan una respuesta tan grande es porque la estructura del estator es m\u00e1s flexible para estos \u00f3rdenes de forma y frecuencia particulares.<\/span>[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_single_image image=\u00bb1522″ img_size=\u00bbfull\u00bb alignment=\u00bbcenter\u00bb][vc_column_text]<\/p>\n

Figura 6. Arm\u00f3nicos espacio-temporales del estator.<\/em><\/p>\n

[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_column_text dp_text_size=\u00bbsize-4″]Esto resalta la importancia de un enfoque que combine forzamiento y respuesta, que permita a los ingenieros evaluar r\u00e1pidamente el ruido y la vibraci\u00f3n desde las primeras etapas del proceso de dise\u00f1o. Si nos centr\u00e1ramos \u00fanicamente en reducir las excitaciones electromagn\u00e9ticas, no nos preocupar\u00edamos por estas peque\u00f1as excitaciones; sin embargo, estos son claves para el ruido que genera este motor. En este caso, para reducir el ruido, podemos centrarnos en reducir la respuesta del estator en lugar de reducir a\u00fan m\u00e1s las ya peque\u00f1as excitaciones.<\/span>[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_column_text dp_text_size=\u00bbsize-4″]La respuesta del estator est\u00e1 definida por el comportamiento modal de la estructura del estator, el cual est\u00e1 determinado por sus dimensiones y materiales. Una forma de reducir la respuesta del estator es engrosando el hierro posterior del estator, lo que aumenta su rigidez y sus frecuencias naturales. Esto reducir\u00e1 la amplitud del ruido en los picos de resonancia y aumentar\u00e1 la velocidad del motor a la que se produce la resonancia. Lo ideal es que aumentemos esta velocidad hasta que la resonancia se produzca por encima de la velocidad m\u00e1xima de funcionamiento del motor.<\/span>[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_single_image image=\u00bb1523″ img_size=\u00bbfull\u00bb alignment=\u00bbcenter\u00bb][vc_column_text]<\/p>\n

Figura 7. El aumento del espesor del hierro posterior del estator reduce el ruido.<\/em><\/p>\n

[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_column_text dp_text_size=\u00bbsize-4″]Para nuestro ejemplo, el aumento en el espesor del hierro posterior del estator del motor el\u00e9ctrico significa que las frecuencias de los modos estructurales F0 y F8 se desplazan hacia la derecha. La comparaci\u00f3n de la respuesta resultante muestra una reducci\u00f3n en el pico de resonancia causado por el arm\u00f3nico 12 en 4 decibeles (dB). Esto se debe al aumento de la rigidez del estator para el modo estructural F0. El pico de resonancia debido al arm\u00f3nico 14 ha desaparecido por completo, ya que ya no cruza el modo estructural F8.<\/span>[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_single_image image=\u00bb1524″ img_size=\u00bbfull\u00bb alignment=\u00bbcenter\u00bb][vc_column_text]<\/p>\n

Figura 8. Reducci\u00f3n del pico de resonancia.<\/em><\/p>\n

[\/vc_column_text][rs_space lg_device=\u00bb20″ md_device=\u00bb\u00bb sm_device=\u00bb\u00bb xs_device=\u00bb\u00bb][vc_column_text dp_text_size=\u00bbsize-4″]Las herramientas de an\u00e1lisis NVH que se muestran arriba son las \u00faltimas incorporaciones a Ansys Motor-CAD . Motor-CAD es el software dedicado al dise\u00f1o de motores el\u00e9ctricos. Proporciona herramientas de an\u00e1lisis y dise\u00f1o r\u00e1pidas y precisas que incluyen todas las principales f\u00edsicas, por ejemplo, electromagn\u00e9ticas, t\u00e9rmicas, mec\u00e1nicas y ahora NVH. La herramienta de an\u00e1lisis NVH utiliza una combinaci\u00f3n de an\u00e1lisis de elementos finitos (FEA) y m\u00e9todos anal\u00edticos para que los tiempos de simulaci\u00f3n sean cortos. Esto permite al dise\u00f1ador de motores incorporar el an\u00e1lisis NVH a su dise\u00f1o conceptual multif\u00edsico y realizar cambios de dise\u00f1o para evitar problemas de ruido desde el principio.<\/span>[\/vc_column_text][\/vc_column][\/vc_row][vc_row][vc_column][\/vc_column][\/vc_row]<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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