Warum motort der Elektromotor?

Der Vibrationston des Elektromotors ist eine Kombination aus zwei physikalischen Quellen: elektromagnetische Töne, die von den magnetischen Kräften im Motor erzeugt werden, und das hochfrequente Schaltgeräusch des Inverters; dazu kommen die mechanischen Beiträge von Getriebereduzierstück und Lagern. Mit steigender Geschwindigkeit wird der Ton höher, denn diese Töne verschieben ihre Frequenz proportional zur Drehzahl. Die Hersteller mildern dieses Geräusch durch spektral gespreiztes Schalten, aktive Geräuschunterdrückung und Klangedesign oder formen es bewusst.

Wenn man einen Verbrennungsmotor startet, ist die Quelle des Geräuschs unbestreitbar: Explosionen, Auspuff, mechanische Bewegung. Steigt man dagegen in ein Elektrofahrzeug, verschwinden die meisten vertrauten Geräusche, und an ihre Stelle tritt ein scharfer, tonaler, schnell ansteigender Ton. Dieses Geräusch ist so charakteristisch, dass viele annehmen, es komme vom Motor selbst. Das ist teilweise berechtigt; aber der eigentlich spannende Teil der Geschichte ist, dass ein wesentlicher Teil des Geräuschs nicht vom Motor, sondern von der Leistungselektronik stammt, die den Motor antreibt. Aus technischer Sicht ist dieses Geräusch übrigens kein Zeichen eines Defekts, sondern der akustische Nachweis dafür, dass das System korrekt funktioniert.

Woher kommt das Vibrationsgeräusch im Elektrofahrzeug?

Der Ursprung des Tons lässt sich in drei Hauptkategorien zusammenfassen. Die erste ist elektromagnetisches Geräusch: Der in den Motor fließende Strom erzeugt zwischen Rotor und Stator ein Magnetfeld; dieses Feld führt zu Schwankungen der Kräfte im Luftspalt, und die schwankenden Kräfte versetzen das Motorgehäuse in Schwingung. Jede schwingende Struktur erzeugt Geräusch. Der Charakter dieses Geräuschs ist konsistent und tonal, denn seine Frequenz wird direkt durch die Speisefrequenz und deren Vielfache - also die Harmonischen - bestimmt.

Die zweite Quelle ist der Inverter. Die Leistungselektronik, die den Gleichstrom der Batterie in einen geeigneten Wechselstrom für den Motor umwandelt, arbeitet, indem sie Transistoren mit sehr hoher Geschwindigkeit ein- und ausschaltet. Dieser Schaltvorgang erzeugt Geräusch bei der Schaltfrequenz und deren Vielfachen; Studien zeigen, dass dieser Bereich typischerweise im Band von 5–15 kHz liegt. Unser Ohr ist genau in diesem Bereich am empfindlichsten - deshalb kann das Geräusch im Elektrofahrzeug trotz seiner geringen absoluten akustischen Energie als störend empfunden werden. Die durch das Schalten verursachten Kraftschwankungen erzeugen zugleich strukturelle Vibrationen; das verleiht dem Geräusch eine spürbare Feinheit. (Diese Feinheit dringt tatsächlich auch in den Innenraum ein: Die Auswirkungen von drei verschiedenen PWM-Verfahren auf Geräusch, Vibration und Härte lassen sich einzeln messen.)

Die dritte Kategorie ist mechanisches Geräusch: Getriebereduzierstück und Lager. Bei EV-Motoren können im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren zehntausende Umdrehungen erreicht werden, weshalb diese Komponenten bei sehr hohen Drehzahlen rotieren. Bei Permanentmagnet-Antrieben stammt das gleichmäßige elektronische Singen, das die Geschwindigkeit begleitet, in der Regel daher, dass die Schaltwelle des Wechselrichters an den Motor angelegt wird; bei manchen Antrieben ist ein bekannter elektromagnetischer Ton 8. Ordnung zu hören, und seine leichte Ausprägung ist völlig normal.

Wie bestimmt die Schaltfrequenz den Klang?

Um die Klangsignatur des Wechselrichters zu verstehen, muss man sich die Logik der PWM - der Pulsweitenmodulation - ansehen. Die Transistoren schalten mit einer festen Frequenz ein und aus, und in jedem Zyklus wird die Einschaltdauer (Duty Cycle) variiert, um die dem Motor zugeführte mittlere Spannung einzustellen. Was das Ohr erreicht, ist dieser Zyklisierungsvorgang: ein gleichförmiges, elektronisch klingendes Summen. In vielen Elektrofahrzeugen ist dieser kurze, gleichbleibende Ton zu hören, bevor die Beschleunigung beginnt - genau das ist der normale Betriebsklang der PWM-Schaltung; anschließend steigt der Ton, während das Fahrzeug beschleunigt.

Das Wandern des Tons mit der Drehzahl ist eine arithmetische Folge. Die dem Motor zugeführte elektrische Frequenz steigt proportional zur Drehzahl, und die elektromagnetischen Kräfte schwingen in den Harmonischen dieser Frequenz. Gehen wir ein konkretes Beispiel durch: 24 bei 4500 U/min. Ordnung einer Harmonie entspricht 1800 Hz. Dass also der Klang mit zunehmender Geschwindigkeit höher wird, ist kein Fehler, sondern eine physikalische Notwendigkeit. Zwischen konstanter und variabler Schaltfrequenz besteht aus ingenieurtechnischer Sicht eine gewisse Spannung.

Eine konstante Frequenz macht die Filterung elektromagnetischer Störungen (EMI) vorhersehbar; doch sie führt dazu, dass ein hochfrequentes, tonales, störendes Geräusch stets an derselben Stelle verharrt. PWM-Strategien mit variabler Schaltfrequenz werden dagegen eingesetzt, um sowohl die Schaltverluste des Wechselrichters als auch das Systemrauschen zu verringern. Dieser Ausgleich ist bis heute ein aktives Entwicklungsgebiet; Diese Balance ist bis heute ein aktives Entwicklungsgebiet; Zu den patentierten technischen Lösungen gehören neue Verfahren, die die Inverter-Schaltfrequenzen dynamisch steuern, um die Tonqualität zu verbessern.

die Anatomie des mechanischen Singens Bei Elektrofahrzeugen ist das Getriebe meist einstufig, doch akustisch ist es keineswegs stumm.

Zahnradgeräusche haben zwei Mechanismen: Übertragungsfehler und Reibungsschwingungen durch luftspaltbedingte Oberflächen. Wenn Zahnräder aufeinandertreffen, entsteht ein Metall-Metall-Kontakt, der sich unter Last mit mikroskopisch kleinen Abweichungen verbindet, und die daraus resultierende Schwingung wird vom Getriebegehäuse in die Kabine übertragen. Wenn ein Zahnrad auf ein anderes trifft, entsteht ein Metall-Metall-Kontakt, der sich unter Last mit mikroskopisch kleinen Abweichungen verbindet, und die daraus resultierende Schwingung wird vom Getriebegehäuse in die Kabine übertragen. Das Öl maskiert den durch diesen Kontakt entstehenden Klang teilweise; dass der Ton an kalten Morgen deutlicher wahrnehmbar ist, überrascht daher nicht, da sich die Viskosität des Öls bei Kälte ändert.

Die wirksamste Waffe auf der Konstruktionsseite sind Helixzahnräder (Schrägverzahnungen). Anders als Geradverzahnungen bauen Schrägzähne einen gestuften, fortlaufenden Kontakt auf, und diese weiche Übertragung verringert das Geräusch deutlich; eine der Standardmethoden zur Geräuschreduzierung bei Getrieben von Elektrofahrzeugen.

Lager sind aus zwei Gründen Teil des Geräusches. Mechanisch kann die Quelle des hochfrequenten Heulens die Motrlager oder das Untersetzungsgetriebe sein; eine Zunahme des Geräuschpegels oder eine Veränderung seines Charakters ist ein guter Frühwarnindikator für den Zustand der Lager. Elektrisch kann bei wechselrichtergespeisten Motoren das hochfrequente Schalten zu elektrischen Schäden an den Lagern führen - diese Komponenten sind also sowohl Quelle des Geräusches als auch Gegenstand der Geschichte, die das Geräusch erzählt. Auch das charakteristische Brummen, das Motoren unabhängig von der Last von sich geben, gehört zu diesem mechanischen Beitrag; das Geräusch des Kühlgebläses hängt dagegen von der Drehzahl ab, ist aber lastunabhängig.

Verändert der Motortyp den Geräuschcharakter?

Die kurze Antwort: ja, in messbarem Ausmaß. Das Rotor-Magnetfeld permanenterregter Synchronmotoren ist unabhängig von der Statorinduktivität bereits durch die Magnete vorgegeben; das ermöglicht höheren Wirkungsgrad und höhere Torsdichte. Da sie durch die Abwesenheit von Drehmomentwelligkeit ein konstantes Drehmoment erzeugen können, lassen sich diese Motoren sehr leise und mit geringen Vibrationen konstruieren. Andererseits sind permanentmagneterregte Motoren zwingend auf einen Wechselrichter angewiesen - das heißt, das Schaltgeräusch ist immer mit dabei. Bei diesen Motoren sind die beiden Hauptursachen für Vibrationen und Geräusche elektronische und mechanische Faktoren; die Pol-Nut-Kombinationen, also die Abstimmung der Rotorpolzahl auf die Statornutenzahl, sind der Brennpunkt der NVH-Forschung.

Asynchronmotoren erzeugen ihr Rotor-Magnetfeld dagegen durch Induktion; im Allgemeinen sind sie größer, schwerer und weniger effizient, dafür aber kostengünstig. Entsprechend unterschiedlich ist auch ihr Geräuschcharakter: zusätzliche Komponenten, die von der Schlupffrequenz abhängen, können hörbar sein. Der Einfluss der Motorkonstruktion auf das Geräusch beschränkt sich nicht auf den Motortyp; Konstruktionsparameter wie Roterschrägung, Statoren Rotorkerbung und Nutöffnungsweite bestimmen direkt die Form der Kraftwelle im Luftspalt und gelten als klassische Methoden der Geräuschreduzierung.

Spread Spectrum: die Technik, die das Geräusch zerteilt

Eine der elegantesten Lösungen für tonales Schaltgeräusch ist die spreizspektrale Schalttechnik, deren theoretische Grundlagen bis in das Jahr 1992 zurückreichen. Die Logik ist einfach: Man moduliert die Schaltfrequenz des Wechselrichters bewusst innerhalb eines kleinen Bandes. Damit verteilt sich die bei einer festen Frequenz geballte Geräuschenergie über ein breiteres Spektrum, und die Spitzenenergie bei jeder einzelnen Frequenz sinkt. Das Ohr empfindet einen schmalbandigen Ton als deutlich störender, während es ein breitbandiges, sanftes Brummen leicht toleriert. Die Technik ist auch zur EMI-Reduzierung bei Schaltnetzteilen erprobt; sie kann das hörbare Geräusch am Ausgang beseitigen und es am Eingang deutlich verringern.

Die Bedeutung dieser Technik in der EV-Welt wächst. In Elektrofahrzeugen machen hohe Spannungen und die hohe Chipdichte das System besonders anfällig für elektromagnetische Störungen; Um diese Empfindlichkeit zu erkennen und zu verringern, wurden bereits intelligente Sensortechnologien entwickelt. Methoden zur Klangqualität, die die Schaltfrequenz dynamisch steuern, sind eine Erweiterung derselben Philosophie wie Spread Spectrum: kein fester, vorhersehbarer Ton, sondern ein Geräusch, das über das Spektrum verteilt oder dynamisch positioniert wird.

Aktive Geräuschunterdrückung und bewusstes Sounddesign

Es gibt auch Technologien, die versuchen, den Klang vollständig zu eliminieren. Das Prinzip der aktiven Geräuschunterdrückung ist klassisch: Es werden Schallwellen erzeugt, die die gleiche Amplitude wie die Geräuschquelle, aber in Gegenphase haben, und die beiden Wellen löschen sich gegenseitig aus. Bei Elektrofahrzeugen ist der Auftrag dieses Ansatzes anders als bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Das klassische Motorengeräusch ist bereits nicht vorhanden; die akustische Energie des hochfrequenten Geräuschs der Elektromotoren ist vergleichsweise gering. Deshalb überwachen moderne Systeme kontinuierlich das Fahr-, Wind- und Reifen-Umgebungsgeräusch, das in die Kabine eindringt, und erzeugen eine Gegenwelle. Deshalb sind künstliche Warntöne - AVAS - zur Anzeige der Anwesenheit von Hybrid- und Elektrofahrzeugen für Fußgänger zum Standard geworden: in manchen Modellen fügt das aktive Sounddesign der Kabine nicht nur eine Geräuschunterdrückung, sondern auch einen bewussten Klangcharakter hinzu.

Was aber mit dem Geräusch nach außen? Da das Geräusch des Elektromotors niedrig ist, können Fußgänger bei niedrigen Geschwindigkeiten die Anwesenheit des Fahrzeugs möglicherweise nicht hören. Deshalb sind künstliche Warnsounds - AVAS - , die entwickelt wurden, um Fußgänger auf die Anwesenheit von Hybrid- und Elektrofahrzeugen aufmerksam zu machen, zum Standard geworden: ein bei niedrigen Geschwindigkeiten über Lautsprecher erzeugtes Schwebungsgeräusch, das an Luftbewegung erinnert. Die EU hat dies mit ihrer Entscheidung gebunden, diese Töne 2014 verpflichtend zu machen; auch in den USA sind künstliche Töne unterhalb bestimmter Geschwindigkeiten vorgeschrieben. Das Sounddesign entwickelt sich als Disziplin weiter, die diese Sicherheitsanforderung mit dem Benutzererlebnis verbindet - und hier findet auch jede Marke die Gelegenheit, ihre eigene akustische Signatur zu schaffen.

Wann ist ein Brummen normal, wann ein Problem?

Eine grobe Regel: Ein gleichmäßiges, tonales Brummen, das der Geschwindigkeit folgt, ist normal. Der mit steigender Geschwindigkeit ansteigende Ton ist die natürliche Frequenzverschiebung der elektromagnetischen Oberwellen; ein elektronisches Brummen mit konstanter Tonhöhe ist das Arbeitsgeräusch des Wechselrichters. Die folgenden Situationen verdienen jedoch ein genaues Hinhören:

• Wenn das Brummen neu auftritt oder sich im Vergleich zu vorher deutlich verstärkt hat,
• wenn das Geräusch von Vibrationen oder Leistungsverlust begleitet wird,
• wenn sich der Charakter des Geräuschs in unerwarteter Weise mit Geschwindigkeit und Last ändert.

Diese Symptome deuten auf die mechanische Seite hin - insbesondere auf Lager und die Getriebeverzahnungsgruppe. Der Geräuschpegel ist eine praktische und kostenlose Methode zur Überwachung des Lagerzustands; eine Kontrolle bei verändertem Geräusch gibt die Chance auf einen Eingriff, bevor der Schaden wächst.

Heulen ist kein Makel, sondern ein Designraum

Das Heulen des Elektromotors ist nicht der Fehler eines einzelnen Bauteils; es ist die Überlagerung der Beiträge elektromagnetischer Kräfte, Inverter-Schaltvorgänge, Zahnräder und Lager. Jeder Fortschritt auf der Ingenieursseite - Spread Spectrum, variable Schaltfrequenzen, Schrägverzahnung, aktive Geräuschunterdrückung - verringert den Druck dieses Klangs im Innenraum oder formt ihn bewusst. Wenn Sie beim Beschleunigen Ihres nächsten Elektrofahrzeugs auf den Ton achten, den Sie hören, wissen Sie nun, was Sie hören: nicht den Motor, sondern die akustische Signatur eines gesamten Systems.

Quellen

• EV Motor Noise, Whine & Overheating: Causes & Fixes
• NVH bei Elektrofahrzeugen
• Schwingungs- und Geräuschmerkmale eines Inverters für Elektrofahrzeuganwendungen
• Neue Inverter-Schaltensteuerungsmethode zur Verbesserung der Klangqualität in Elektrofahrzeugen
• Inverter-Akustikgeräusche: PWM-Strategie, Magnetostriktion und Innenraumwahrnehmung in E-Fahrzeugen
• Das Betriebsgeräusch von Elektromotoren verstehen
• Geräusche in Elektromotoren: Ein umfassender Überblick
• Geräuschreduzierung bei E-Fahrzeugen angehen
• Geräuschreduzierungstechniken für E-Fahrzeug-Getriebe
• Modulationstechnik mit geringem Geräusch für PWM-Umrichterantriebe
• Vor- und Nachteile der Spread-Spectrum-Umsetzung
• Forscher entwickeln Technologie zum Schutz von E-Fahrzeugen vor Chip-Störgeräuschen
• Aktives Soundmanagement
• Was ist Active Sound Design beim EV6 & EV9
• Fahrzeugelektrifizierung und aktive Geräuschunterdrückung
• Warngeräusche von Elektrofahrzeugen
• Asynchronmotor vs. Permanentmagnetmotor
• Was Ihnen das Geräusch über Ihren Elektromotor verrät?