Design for NVH of permanent magnet electric motors

Permanent magnet synchronous machines (PMSM) noise emission estimation has become fundamental during the last years. This work proposes a new design method able to estimate the electromagnetic-borne noise produced by the motor. The information provided is suitable for improving machines layout even in a preliminary design phase, saving time and prototype costs investments. The tool consists of analytical and numerical approaches. Both the methods employ radial and tangential electromagnetic forces as inputs. The analytical method is based on the curved beam theory and a simple acoustic model, while the numerical aims to define the toothed tridimensional cylindrical equivalent structure. The design method is assessed comparing the analytical and numerical approaches through experimental data, provided by motors manufacturer and scientific papers. The method provides quite accurate results in terms of estimated sound pressure level and stator external surface acceleration. Moreover, tangential contribution is proved to be non-negligible once high accuracy in acoustic emission prediction is required.

La stima dell’emissione acustica dei motori elettrici a magneti permanenti ha acquisito una rilevanza fondamentale negli ultimi anni. Questa tesi propone pertanto una nuova metodologia di progettazione, capace di stimare l’intensità del rumore prodotto dalla macchina stessa. Tali informazioni risultano rilevanti al fine di migliorare il layout delle macchine già durante la fase di progettazione preliminare, consentendo di risparmiare tempo e costi per la prototipazione. Il metodo presentato si compone di una parte analitica ed una numerica. In entrambe, le componenti radiali e tangenziali della forza elettromagnetica generata sono considerate e impiegate come input. L’approccio analitico al problema vibro-acustico è interamente basato sulla teoria della trave e impiega una semplificazione di un modello acustico preesistente; l'approccio numerico si propone invece di definire strutture equivalenti tridimensionali di forma cilindrica, dotate di una dentatura statorica semplificata. Il metodo di progettazione proposto viene validato comparando i risultati dei due precedenti approcci con dati sperimentali di tre motori elettrici, forniti dal costruttore o presentati in articoli scientifici. A valle di tale procedura, è possibile affermare che il metodo è in grado di fornire risultati soddisfacenti in termini di stima della pressione sonora e di accelerazione della superficie esterna dello statore; inoltre, viene dimostrato come il contributo delle azioni elettromagnetiche tangenziali alla vibrazione statorica, generalmente trascurati, risulti di fondamentale importanza quando si richiede un'accuratezza elevata nella stima dell’emissione sonora della macchina.