NVH Elektrische Antriebe – Vibrationen und Geräusche

Häufige Fragen und Antworten zu NVH Elektrische Antriebe – Vibrationen und Geräusche

1. Wofür steht das Kürzel NVH?

NVH steht für Noise, Vibration, Harshness und beschreibt die akustischen und schwingungstechnischen Eigenschaften eines Antriebs. Bei elektrischen Antrieben umfasst NVH unter anderem Geräusche, Körperschall, Luftschall, Schwingungen und Resonanzen.

Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren treten bei elektrischen Antrieben andere Anregungsmechanismen stärker hervor, insbesondere elektromagnetische Kräfte und hochfrequente tonale Geräusche. Das Seminar betrachtet diese Zusammenhänge von der Entstehung bis zur messtechnischen und simulativen Bewertung in der Praxis.

2. Warum machen Elektromotoren überhaupt Geräusche?

Elektromotoren können trotz ihres grundsätzlich leisen Betriebs deutlich wahrnehmbare Geräusche erzeugen. Ursachen sind unter anderem elektromagnetische Kräfte zwischen Rotor und Stator, mechanische Anregungen durch Lager, Unwucht oder Getriebe sowie Wechselwirkungen mit der Gehäusestruktur.

Besonders auffällig können tonale, hochfrequente Geräusche sein. Entscheidend ist das Zusammenspiel von Anregungsquelle, Übertragungspfad und schallabstrahlender Struktur, das im NVH systematisch untersucht wird. Das gilt für Pkw und industrielle Anwendungen.

3. Was sind elektromagnetische Anregungen bei Elektromotoren?

Elektromagnetische Anregungen entstehen durch zeitlich und räumlich veränderliche Magnetfelder im Elektromotor. Dadurch wirken Kräfte auf Stator und Rotor, die Strukturen zu Schwingungen anregen können. Treffen diese Anregungsfrequenzen auf Eigenfrequenzen der Struktur, entstehen Resonanzen und entsprechend höhere Geräuschpegel.

Für die NVH-Analyse ist deshalb wichtig, elektromagnetische Anregungen, Strukturdynamik und Schallabstrahlung gemeinsam zu betrachten. Diese Ursache-Wirkungs-Kette bildet eine wichtige Grundlage für Diagnose und Optimierung.

4. Welchen Einfluss haben PWM und Wechselrichter auf das NVH-Verhalten?

PWM, also Pulsweitenmodulation, beeinflusst die elektrischen Größen eines Antriebs und kann zusätzliche hochfrequente Anregungen erzeugen. Die Schaltvorgänge des Umrichters können dadurch zum NVH-Verhalten beitragen und sich als tonale oder hochfrequente Geräusche bemerkbar machen. Wie stark dieser Effekt ausfällt, hängt unter anderem von Betriebszustand, Ansteuerung, Motoraufbau und Struktur ab. Deshalb gehören Umrichter und PWM zur ganzheitlichen E-Antriebs-NVH-Analyse und sollten gemeinsam mit der Mechanik betrachtet werden.

5. Was ist Drehmomentwelligkeit und welchen Einfluss hat sie auf NVH?

Drehmomentwelligkeit bezeichnet Schwankungen des elektromagnetisch erzeugten Drehmoments während des Betriebs. Sie kann unter anderem aus der Maschinengeometrie, der elektromagnetischen Anregung oder der Ansteuerung resultieren. Solche Schwankungen können Torsionsschwingungen und weitere mechanische Anregungen verursachen und dadurch das NVH-Verhalten beeinflussen. Für die Optimierung elektrischer Antriebe ist es daher sinnvoll, Drehmomentwelligkeit nicht isoliert, sondern im Zusammenspiel mit Struktur, Lagerung und Antriebsstrang zu bewerten und gezielt zu reduzieren.

6. Was versteht man unter Motor Whine bei Elektroantrieben?

Unter Motor Whine versteht man ein häufig tonales, pfeifendes oder singendes Geräusch elektrischer Antriebe. Es entsteht typischerweise durch elektromagnetische Anregungen, die über die Struktur des Motors und Antriebsstrangs in hörbaren Schall umgesetzt werden. Besonders relevant sind dabei Drehzahl, Last, Ansteuerung und Resonanzen. Die gezielte Reduzierung kann sowohl an der Anregungsquelle als auch an Übertragungswegen und Strukturen ansetzen. Gerade in Elektrofahrzeugen kann das Geräusch deutlich wahrgenommen werden.

7. Wie funktioniert die NVH-Simulation von Elektromotoren?

Eine NVH-Simulation von Elektromotoren verbindet typischerweise elektromagnetische Anregungen mit mechanischen und vibroakustischen Modellen. Ziel ist es, Schwingungen und Geräusche bereits in frühen Entwicklungsphasen vorherzusagen und konstruktive Maßnahmen zu bewerten. Je nach Fragestellung kommen beispielsweise Finite-Elemente-Modelle, Mehrkörpersimulationen oder gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Berechnungen zum Einsatz.

Moderne Ansätze können außerdem die Schallabstrahlung und komplette Antriebsstrukturen berücksichtigen. So lassen sich Varianten frühzeitig vergleichen und kritische Frequenzbereiche erkennen.

8. Wie wird eine NVH-Messung an einem Elektromotor durchgeführt?

Bei einer NVH-Messung werden Schwingungen und Geräusche unter definierten Betriebsbedingungen erfasst und ausgewertet. Typische Messgrößen sind beispielsweise Beschleunigungen, Körperschall und Luftschall. Mikrofone und Beschleunigungsaufnehmer liefern Informationen über Pegel, Frequenzen und Betriebszustände.

Ergänzend können Frequenz- und Ordnungsanalysen eingesetzt werden, um Anregungsquellen zu identifizieren. Eine sorgfältige Messstrategie ist entscheidend, damit Ursachen von Übertragungswegen unterschieden werden können und aus den Messdaten konkrete Optimierungsmaßnahmen entstehen.

9. Was ist Transfer Path Analysis (TPA) bei elektrischen Antrieben?

Die Transfer Path Analysis, kurz TPA, untersucht, auf welchen Übertragungswegen Schwingungen oder Geräusche von einer Quelle zu einem Ziel gelangen. Bei elektrischen Antrieben kann beispielsweise analysiert werden, wie eine Anregung aus dem Motor über Gehäuse, Lager oder weitere Komponenten übertragen und schließlich als Luftschall abgestrahlt wird. TPA hilft damit, dominante Übertragungspfade zu identifizieren und gezielte NVH-Maßnahmen statt rein symptomatischer Optimierungen abzuleiten. Sie unterstützt damit eine systematische Ursachenanalyse im Antriebsstrang.

10. Welche Rolle spielen Resonanzen, Eigenfrequenzen und Modalanalyse?

Resonanzen entstehen, wenn eine Anregung mit einer Eigenfrequenz einer Struktur zusammenfällt oder ihr nahekommt. Bei elektrischen Antrieben können elektromagnetische, mechanische oder getriebebedingte Anregungen entsprechende Strukturmoden treffen. Die Folge können deutlich erhöhte Schwingungen und Geräusche sein. Deshalb sind Eigenfrequenzen und Dämpfung wichtige Größen der NVH-Analyse.

Ziel der Optimierung kann es sein, Resonanzen zu vermeiden, zu verschieben oder ihre Ausprägung zu reduzieren. Dabei hilft die Modalanalyse.

11. Was ist der Unterschied zwischen Körperschall und Luftschall?

Körperschall bezeichnet Schwingungen, die sich innerhalb fester Strukturen ausbreiten, während Luftschall als Druckschwankung in der Luft wahrgenommen wird. Bei elektrischen Antrieben besteht häufig eine direkte Verbindung zwischen beiden: Eine angeregte Motorstruktur schwingt und strahlt dadurch Schall in die Umgebung ab. Für die NVH-Diagnose ist deshalb wichtig, beide Übertragungsarten zu messen und die Kette von der Quelle bis zur Schallabstrahlung zu verstehen. Das erleichtert die Auswahl geeigneter Optimierungsmaßnahmen.

12. Warum ist NVH bei Elektrofahrzeugen besonders wichtig?

NVH spielt bei Elektrofahrzeugen eine besondere Rolle, weil der klassische Verbrennungsmotor als dominante Geräuschquelle entfällt. Dadurch können andere Quellen stärker wahrgenommen werden, darunter elektromagnetische Geräusche des E-Motors, Getriebe- und Lagergeräusche sowie hochfrequente tonale Anteile. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Komfort und Soundqualität. Die NVH-Betrachtung muss deshalb den elektrischen Antrieb, seine Struktur, den Antriebsstrang und die Fahrzeugumgebung gemeinsam berücksichtigen. Diese ganzheitliche Perspektive wird häufig als E-NVH bezeichnet.

13. Wie lassen sich Geräusche von Elektromotoren reduzieren?

Die Geräuschoptimierung eines Elektromotors beginnt idealerweise mit der Identifikation der dominanten Anregungsquelle. Anschließend lassen sich verschiedene Stellhebel betrachten: elektromagnetische Kräfte reduzieren, Ansteuerung und Betriebsparameter optimieren, Resonanzen vermeiden oder Strukturen und Übertragungspfade verändern. Auch Rotor- und Statorgestaltung, Lagerung sowie Getriebe können relevant sein. Entscheidend ist eine systematische Ursachenanalyse, damit die Maßnahme tatsächlich die maßgebliche NVH-Kette beeinflusst und nicht nur ein einzelnes Symptom reduziert.

14. Welche Rolle spielt ein digitaler Zwilling bei der NVH-Entwicklung?

Ein digitaler Zwilling kann bei der NVH-Entwicklung genutzt werden, um das Verhalten eines elektrischen Antriebs virtuell abzubilden und verschiedene Varianten frühzeitig zu bewerten. Je nach Modellierung können elektromagnetische Anregungen, Strukturdynamik, Schwingungen und Schallabstrahlung berücksichtigt werden. Dadurch lassen sich potenzielle NVH-Probleme bereits vor umfangreichen Prototypentests untersuchen.

Besonders wertvoll ist die Verknüpfung von Simulation und Messdaten zur Validierung und Optimierung. So können Entwicklungsentscheidungen früher abgesichert werden.

15. Wie unterscheiden sich PSM, PMSM, ASM und SRM hinsichtlich NVH?

Die Wahl des Motortyps beeinflusst das NVH-Verhalten eines elektrischen Antriebs. Permanenterregte Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen sowie Reluktanzmaschinen weisen unterschiedliche elektromagnetische Anregungen und charakteristische Schwingungs- und Geräuschphänomene auf. Deshalb müssen Maschinenkonzept, Geometrie, Ansteuerung und Betriebszustand gemeinsam betrachtet werden.

Das HDT-Seminar vermittelt die relevanten Grundlagen und zeigt, wie daraus unterschiedliche NVH-Herausforderungen entstehen und bewertet werden können. Dabei werden auch typische Anregungsordnungen und Resonanzprobleme berücksichtigt.