Miért zümmög az elektromos motor?

Az elektromotor hangolása két fizikai forrás keveréke: a motorban lévő mágneses erők által keltett elektromágneses hangok és az inverter nagyfrekvenciás kapcsolási zaja; ehhez járul a fogaskerék-átfastító és a csapágyak mechanikai hozzájárulása. Ahogy gyorsulunk, a hang magassága emelkedik, mert ezek a hangok a fordulatszammal arányosan tolódnak. A gyártók ezt a hangot szórt spektrumú kapcsolással, aktív zajcsökkentéssel és hangtervezéssel tompítják, vagy tudatosan formálják.

Ha belső égésű motort indítunk, a hang forrása vitathatatlan: robbanások, kipufogó, mechanikus mozgás. Elektromos járműbe ülve a megszokott zajok többsége eltűnik, helyét éles, tonális, gyorsan emelkedő hang veszi át. Ez a hang annyira jellegzetes, hogy sokan azt feltételezik, magából a motóból jön. Részben igazuk van; de a történet legérdekesebb része az, hogy a hang jelentős része nem a motor, hanem a motort meghajtó teljesítményelektronika műve. Mérnöki szemmel nézve ez a hang valójában nem hiba, hanem a rendszer helyes működésének hallható bizonyítéka.

Honnan származik az elektromos jármű hangja?

A hang eredete három fő témakörbe sorolható. Az első az elektromágneses zaj: a motorba jutó elektromos áram mágneses mezőt hoz létre a rotor és a sztátor között; ez a mező a légrésben ható erők ingadozását okozza, az ingadozó erők pedig megrezdtetik a motorházat. Minden rezgő szerkezet hangot bocsát ki. Ennek a zajnak a jellege következetes és tonális, mert frekvenciáját közvetlenül a tápfeszültség frekvenciája és annak többszörösei - vagyis a harmonikusok - határozzák meg.

A második forrás az inverter. Az akkumulátor egyenáramát a motorhoz illő váltakozó árammá alakító teljesítményelektronika tranzisztorokkal, rendkívül gyorsan ki- és bekapcsolva működik. Ez a kapcsolási művelet zajt gerjeszt a kapcsolási frekvencia környékén és annak többszöröseiben; mérések azt mutatják, hogy ez a tartomány jellemzően a 5-15 kHz sávval esik egybe. A fülünk éppen ebben a tartományban a legérzékenyebb - ezért az elektromos jármű hangja, bár abszolút akusztikus energiája alacsony, zavarónak érezhető lehet. A kapcsolásból eredő erőingadozások strukturális rezgést is keltenek; ez a hanggal együtt tapintható finomságot ad. (Ez a finomság valójában az utastérbe is beszűrődik: három különböző PWM-technika zajra, rezgésre és merevségre gyakorolt hatása külön-külön is mérhető szintű.)

A harmadik témakör a mechanikai zaj: fogaskerék-átfastító és csapágyak. Az EV-motorokkal szemben a belső égésű motorokkal ellentétben tízezres fordulatszámokra is képesek kifutni, ezért ezek az alkatrészek nagyon magas fordulatszámon forognak. A permanens mágneses hajtásoknál a sebességet kísérő egyenletes elektromos hang forrása általában az inverter kapcsolási hullámának a motorra történő alkalmazása; egyes hajtásoknál egy ismert 8. rendű elektromágneses hang jelentkezik, és enyhe formája teljesen normális.

Hogyan határozza meg a kapcsolási frekvencia a hangot?

Az inverter hangsignatúrájának megértéséhez a PWM, azaz a Pulse Width Modulation (impulzusszélesség-moduláció) logikáját kell megvizsgálni. A tranzisztorok fix frekvencián kapcsolnak be és ki, minden ciklusban a bekapcsolt állapot időtartamának (duty cycle) változtatásával állítják be a motorra juttatott átlagos feszültséget. Ami a fülbe jut, az maga ez a ciklikus folyamat: egy fix hangmagasságú, elektronikus jellegű iii hang. Sok elektromos járműben a gyorsítás megkezdése előtt hallható rövid, fix hang pontosan a PWM-ciklus normális működési hangja; ezután a jármű gyorsulásakor a hang magasodik.

A hang fordulatszámmal együtt történő eltolása matematikai következmény. A motorra alkalmazott elektromos frekvencia a fordulatszámmal arányosan nő, és az elektromágneses erők ennek a frekvenciának a harmonikusaiban rezegnek. Menjünk végig egy konkrét példán: a 4500 rpm fordulatszámon egy 24. rendű harmonik a 1800 Hz-nek felel meg. Az ilyen tonális komponensek a légrés mágneses erőiből egyszerre termelnek tonális és szélessávú zajt. Tehát a sebesség növekedésével a hallott hang magasságának emelkedése nem hiba, hanem fizikai szükségszerűség.

A kapcsolási frekvencia rögzített és változó tartása között mérnöki szempontból feszültség van. A fix frekvencia kiszámíthatóvá teszi az elektromágneses interferencia (EMI) szűrését; de azt eredményezi, hogy egy magas hangú, tonális, zavaró zaj mindig ugyanazon a ponton marad. A változó kapcsolási frekvenciájú PWM-stratégiákat az inverter kapcsolási veszteségeinek és a rendszerzajának csökkentésére alkalmazzák. Ez az egyensúly ma is aktív fejlesztési terület; a hangminőség javítása érdekében az inverter kapcsolási frekvenciáit dinamikusan vezérlő új módszerek a közelmúltban szabadalmaztatott technikai megoldások között szerepelnek.

Fogaskerekek és csapágyak: a mechanikus áttétel anatómiája

Az elektromos járművekben a sebességváltó jellemzően egyfokozatú reduktor, de zajszempontból korántsem üres feladat. A fogaskerék-zajnak két fő mechanizmusa van: átviteli hiba és a fogaskerék-felületekből eredő súrlódási rezgés. Amikor a fogak egymással érintkeznek, a fém-fém érintkezés mikroszintű eltérésekkel párosul, és a keletkező zaj a reduktor házából a kabinba jut át. Az olaj részben elfedi az érintkezés által keltett hangot; mivel hideg időben az olaj viszkozitása megváltozik, nem meglepő, hogy a hang reggel hangsúlyosabb.

A tervezés oldalán a leghatékonyabb fegyver a ferde fogazású fogaskerék. Az egyenes fogazású fogaskerekekkel ellentétben a ferde fogak fokozatosan, egymás után létesítenek érintkezést, és ez az átmeneti finomság jelentősen csökkenti a zajt; az egyik szabványos módszer a zaj csökkentésére az elektromos járművek hajtóműveiben.

A csapágyak pedig két okból is a hang részét képezik. Mechanikailag a magas frekvenciájú fütyülés forrása lehet a motor csapágya vagy a reduktor fogaskerekei; a hangszint emelkedése vagy a hangszín megváltozása jó korai figyelmeztető jelzés a csapágyak állapotára nézve. Elektromosan az inverterrel hajtott motoroknál a nagyfrekvenciás kapcsolás elektromos károsodást okozhat a csapágyágyakban - vagyis ezek az alkatrészek egyszerre a hang forrásai és a hang által elmesélt történet alanyai. A terhelés alatt álló motorok terheléstől független jellegzetes morajlása is ebbe a mechanikai hozzájárulásba tartozik; a hűtőventilátor zaja viszont a motor fordulatszámától függ, de a terheléstől független.

Megváltoztatja-e a motortípus a hang karakterét?

Rövid válasz: igen, mérhető mértékben. A permanens mágneses szinkronmotorok rotor mágneses mezője nem a sztator induktivitásától, hanem a mágnesektől függően előre kiépített; ez magasabb hatásfokot és nyomatéksűrűséget biztosít. Mivel állandó nyomatékot tudnak előállítani a nyomatékciklusban fellépő hullámzás nélkül, ezek a motorok nagyon csendes és alacsony rezgésű kivitelben tervezhetők. Másrészt a permanens mágneses motorok működtetése inverterrel kötelező - vagyis a kapcsolási hang mindig jelen van. Ezeknél a motoroknál a rezgés és a zaj két fő oka az elektronikai és a mechanikai tényező; a pólus- és hornykombinációk, vagyis a rotorpólusok számának és a sztatorhornyok számának egyeztetése az NVH-kutatások fókuszpontja.

Az aszinkronmotorok ezzel szemben indukcióval hozzák létre a rotor mágneses mezőjét; általában nagyobbak, nehezebbek és alacsonyabb hatásfokúak, de költségük alacsony. A hangkarakterük is ennek megfelelően eltérő: a csúszásfrekvenciától függő további összetevők hallhatók. A motortervezés hangra gyakorolt hatása nem csak a motortípusra korlátozódik; a torz rotor, a sztator- és rotormarással, valamint a horynyílás szélessége gibi tervezési paraméterek közvetlenül meghatározzák a légrésben fellépő erőhullám alakját, és a zajcsökkentés klasszikus módszerei közé sorolják.

Spektrumterjesztés: a hangot feldaraboló technika

A kapcsolásból eredő tonális zaj egyik legelegánsabb megoldása a spektrumterjesztéses kapcsolási technika, amelynek elméleti alapjai 1992-ig nyúlnak vissza. A logika egyszerű: az inverter kapcsolási frekvenciáját tudatosan modulálod egy kis sávon belül. Így az adott frekvencián összegyűlt zajenergia egy szélesebb spektrumra szóródik, és bármely egyetlen frekvencián a csúcsergia csökken. A fül a fokozatosan változó hangot sokkal zavaróbbnak érzékeli; a széles sávú, enyhe morajlást pedig könnyen tolerálja. A technika a kapcsolóüzemű tápegységek EMI-csökkentésében is bizonyított; a kimeneten teljesen megszüntetheti a hallható zajt, a bemeneten pedig nagymértékben csökkentheti.

A technika helye az EV-világban egyre növekszik. Az elektromos járművekben a nagy feszültségek és a sűrű chipek száma a rendszert különösen érzékennyé teszi az elektromágneses interferenciára; az érzékenység észlelésére és csökkentésére irányuló okos érzékelőtechnológiákat is kifejlesztették már. A kapcsolási frekvenciát dinamikusan szabályozó hangminőségi módszerek a spread spectrum ugyanazon filozófiájának kiterjesztései: állandó, kiszámítható hang helyett a spektrumra szórt, vagy dinamikusan pozicionált zaj.

Aktív zajcsökkentés és tudatos hangtervezés

Vannak olyan technológiák is, amelyek a hangot teljesen meg akarják szüntetni. Az aktív zajcsökkentés elve klasszikus: a zajforrással azonos amplitúdójú, de ellenfázisú hanghullámokat állítanak elő, és a két hullám kioltja egymást. Elektromos járműveknél ennek a megközelítésnek a működése eltér a belső égésű járművekétől. A klasszikus motorzaj ugyanis nem létezik; az elektromotorok magas frekvenciájú zajának akusztikus energiája viszonylag alacsony. Ezért a modern rendszerek folyamatosan figyelik az utastérbe jutó út-, szél- és gumiabroncs-zajt, és ellenfázisú hullámot állítanak elő. Sok gyártó csomagmegoldásokat kínál ezen a területen; egyes modellekben az aktív hangtervezés nemcsak a zaj elnyomására korlátozódik, hanem tudatos hangkaraktert is ad az utastérnek.

És mi a helyzet a külvilág hangjaival? Mivel az elektromotor zajszintje alacsony, alacsony sebességnél a gyalogosok nem hallhatják a jármű közeledtét. Ezért a hibrid és elektromos járművek jelenlétének gyalogosok számára történő jelzésére tervezett mesterséges figyelmeztető hangok - AVAS - szabvánnyá váltak: alacsony sebességnél hangszórókkal előállított, légáramlásra emlékeztető lebegő hang. Az EU 2014-ben kötelezővé tette e hangokat egy rendeletével; az USA-ban is kötelező a mesterséges hang meghatározott sebességek alatt. A hangtervezés mint tudományág fejlődik, amely ezt a biztonsági kötelezettséget a felhasználói élménnyel ötvözi - és itt találja meg minden márka a saját akusztikai aláírása megteremtésének lehetőségét is.

Mikor normális a zümmögés, és mikor problémás?

Nagyjából egy szabály: a sebességet követő, egyenletes, tonális zümmögés normális. A sebességgel emelkedő hangmagasság az elektromágneses harmonikusok természetes frekvenciaeltolódása; az állandó hangmagasságú elektronikus zümmögés az inverter működési hangja. A következő esetek azonban figyelmet érdemelnek:

• ha a zümmögés újonnan jelent meg, vagy a korábbihoz képest jelentősen felerősödött,
• ha a hangot rezgés vagy teljesítményveszteség kíséri,
• ha a hang karaktere sebességgel és terheléssel váratlan módon változik.

Ezek a tünetek a mechanikai oldalra - különösen a csapágyakra és a reduktor fogaskerék-csoportjára - utalnak. A zajszint a csapágyak egészségének nyomon követésének praktikus és költségmentes módja; a hang rendszeres ellenőrzése lehetőséget ad a hiba még kis méretű korai kezelésére.

A zúgás nem hiba, hanem tervezési kérdés

Az elektromos motor zúgása nem egyetlen alkatrész hibája; az elektromágneses erők, az inverter kapcsolási műveletei, a fogaskerekek és a csapágyak hozzájárulásainak egymásra rakódása. Mérnöki oldalon minden egyes lépés - spread spectrum, változó kapcsolási frekvenciák, csavarfogazású fogaskerekek, aktív zajcsökkentés - csökkenti ennek a hangnak a nyomását az utastérben, vagy tudatosan formálja azt. Ha legközelebb elektromos járművel gyorsítasz, és figyeled a hallott hangot, már tudni fogod, mit hallasz: nem magát a motort, hanem egy teljes rendszer hallási aláírását.

Források

• EV Motor Noise, Whine & Overheating: Causes & Fixes
• NVH Electric Vehicles
• Vibration and noise characteristics of an inverter for electric vehicle application
• New Inverter Switching Control Method to Enhance Sound Quality in Electric Vehicles
• Inverter Acoustic Noise: PWM Strategy, Magnetostriction and Cabin Perception in EVs
• Understanding the Operating Noise of Electric Motors
• Noise in Electric Motors: A Comprehensive Review
• Tackling EV noise reduction
• Noise Reduction Techniques for EV Transmissions
• Low noise modulation technique for PWM inverter drives
• The pros and cons of spread-spectrum implementation
• Researchers Develop Technology To Protect EVs From Eavesdropping
• Active Sound Management
• Sound Design On The EV6 & EV9
• Vehicle Electrification and Active Noise Cancellation
• Electric vehicle warning sounds
• Induction vs. Permanent Magnet Motors
• What Does Noise Tell You About Your Electric Motor?