Pyörivien koneiden melutason optimointi akustisella suunnittelulla

Taustaa:
Erilaisten laitteiden aiheuttamaa häiritsevää tai kuulolle vahingollista ääntä kutsutaan meluksi. Melu vaikuttaa haitallisesti sen vaikutuspiirissä työskentelevien tai oleskelevien henkilöiden keskittymiseen, viihtyvyyteen ja pahimmillaan työturvallisuuteen. Tästä syystä desibelitasoja ja altistumisaikoja niille pyritään rajoittamaan erilaisilla säädöksillä, suojauksilla ja akustisella suunnittelulla (= meluntorjunta).

Työterveyslaitoksen suositusten mukainen meluntorjuntakeinojen tärkeysjärjestys on:

1. melun syntymisen estäminen
2. melun etenemisen estäminen
3. melun vaimentaminen akustoinnilla
4. henkilökohtaiset kuulonsuojaimet
5. melussa oloajan rajoittaminen

(https://www.ttl.fi/tyoymparisto/altisteet/melu/)

Laitteen tuottama ääni voi siirtyä joko suoraan ympäröivään ilmaan tai vaihtoehtoisesti välittyä runkoäänenä jalustaan. Ilmavälitteinen ääni on voimakkaimmillaan lähellä laitetta ja vaimenee nopeasti etäisyyden kasvaessa. Runkoääni taas voi kantautua rakenteiden välityksellä sangen kauaskin melun alkulähteeltä.  

Sähkömoottorin akustinen suunnittelu:
Esimerkkitapauksessa asiakkaamme halusi varmistua siitä, että heiltä tilatut räätälöidyt sähkömoottorit täyttävät toimitussopimuksessa määritellyt akustiset vaatimukset melutason (Airborne Noise ja Structural Borne Noise) suhteen. Tällä tavalla vältytään hankalilta jälkikäteen toteutettavilta muutostoimenpiteiltä, jotka olisivat voineet viivästyttää toimitusaikataulua. Simulointi osoittautui tässäkin tapauksessa parhaaksi ja kustannustehokkaimmaksi tavaksi varmistaa riittävän alhainen melutaso etukäteen ja pystyä siten noudattamaan luokituslaitoksen suosituksia sekä luottavaisin mielin laatimaan vaatimustenmukaisuusvakuutuksen (Letter of Compliance).

Oman haasteensa muodostaa se, että moottoria on mahdollista käyttää nollanopeudesta aina ylinopeuteen saakka, eikä toiminta-aikaa millään tietyllä kierrosnopeudella ole rajoitettu. Tämä johtaa käytännössä tilanteeseen, että herätteen taajuus voi osua samaksi kuin rakenteen ominaistaajuus, aiheuttaen resonanssia, mikä puolestaan on tyypillinen meluriski. Toinen tyypillinen melulähde on epämääräinen kappaleiden välinen kontakti, mikä pahimmillaan aiheuttaa voimakkaan mekaanisen äänen kontaktipintojen vuoroin irrotessa ja vuoroin painautuessa toisiaan vasten.

Toimenpiteet:
Vaihe 1: Akustisen suunnittelun ensimmäisenä vaiheena on herätteiden voimakkuuksien pienentäminen. Kyseisessä sähkömoottorissa on toteutettu monia sähköteknisiä ja rakenteellisia ratkaisuja, joilla sähkömagneettisen ja mekaanisen herätteen suuruus on pyritty minimoimaan. Näistä tärkeimpinä mainittakoon siniaaltosuodatin, staattorin hammastuksen porrastaminen sekä liukulaakereiden käyttö vierintälaakereiden sijasta.

Vaihe 2: Suunnittelun varhaisessa vaiheessa rakenteen staattisessa käyttötilanteessa vaikuttavat kontaktit tunnistettiin FEA:n avulla. Näin varmistettiin että ruuviliitoksissa, sovitteissa tai muissa kontakteissa ei ole riskiä epämääräisen kontaktin muodostumiselle.  Käyttötilanteen mallinnuksessa on otettu huomioon esikiritykset, sovitteet sekä tyypillinen nimellinen mekaaninen kuormitus lämpökuormineen. Sähkömagneettisen ilmavälivoiman vaikutus otettiin huomioon staattorin ja roottorin aktiivipintojen välille mallinnettujen jousien avulla. Staattoripakan jäykkyys otettiin huomioon ekvivalentin materiaalimallin avulla.

Todettiin että:

• Rakenteen ruuviliitosten ruuvijako on tarpeeksi tiheä ja esikiristykset riittävät
• Staattorin ja rungon välinen sovite on riittävän tiukka pitämään kappaleet toisissaan kiinni kaikissa tilanteissa
• Vääntömomentti pyrkii nostamaan toista staattorin jaloista ylöspäin, mikä heikentää kontaktipainetta paikallisesti jalan ja vaimenninelementin välillä (Kuva 1)

Vaihe 3: Kolmannessa vaiheessa ominaistaajuusanalyysin (Eigenfrequency Analysis) avulla selvitettiin rakenteen ominaistaajuudet ja värähtelymuodot. Analyysin tuloksia verrattiin rakenteessa vaikuttaviin tunnistettuihin herätteisiin (suunta, suuruus, vaikutuspiste).

• Analyysin perusteella joitakin yksittäisiä levykenttiä katsottiin tarpeelliseksi jäykistää ominaistaajuuksien nostamiseksi (Kuva 2)
• Analyysin avulla varmistettiin, että kaikkien ominaismuotojen ominaistaajuudet ovat selvästi korkeampia, kuin mitä roottorin pyörimistaajuus on
• Korkeataajuuksisia ominaismuotoja löytyi paljon, mistä pääteltiin että ominaistaajuuksien ja sähkömagneettisten herätetaajuuksien risteäminen on väistämätöntä
  • Tästä syystä suosittelimme asiakkaalle että rakenteelle tehdään taajuusvasteanalyysi (Frequency Response Analysis)

Vaihe 4: Neljännessä vaiheessa rakenteelle tehtiin taajuusvasteanalyysi. Taajuusvasteanalyysin herätevoimaksi asetettiin staattorin ja roottorin ilmavälissä vaikuttava muuttuva sähkömagneettinen voima, jonka suuruus ja muoto saatiin asiakkaan tekemän sähkömagneettisen simulaation perusteella. Lisäksi taajuusvasteanalyysissä tulee ottaa huomioon vaimennus, joka estää vasteiden kasvamisen äärettömäksi, vaikka heräte osuisikin ominaistaajuudelle. Rakenteen yleinen vaimennussuhde määritettiin aiempaan kokemukseen pohjautuen. Vaimennussuhteen määrittämisessä otettiin huomioon useita kyseisen moottorin erityisominaisuuksia kuten liukulaakerit, jäähdytinnestevaippa, roottorin ja staattorin ilmaväli ym.

• Analyysin perusteella selvitettiin moottorin jalustaan kohdistaman voimavasteen spektri taajuustasossa. Tämä on olennainen tieto matalien runkoäänien määrittämistä varten
• Lisäksi määritettiin moottorin rungon nopeusvaste ilmaäänen intensiteettitason laskemiseksi.
  • Ilmaäänen intensiteettitasoon vaikuttavat sekä nopeusvasteen amplitudi että värähtelevien levykenttien laajuus
  • Äänenpainetason lisäksi myös ääniaallon taajuus vaikuttaa kuuloaistimuksen häiritsevyyteen
  • Tästä syystä nopeusvasteen aiheuttamalle äänenpainetasolle sovellettiin A-painotusta, joka perustuu kuuloaistin taajuusvasteen mallintamiseen

Tulokset:

• Tulosten perusteella sähkömagneettinen heräte synnyttää moottorirunkoon pakkovärähtelynomaisen kehäsuunnassa kiertävän aaltomaisen muodonmuutostilan (Kuva 3)
• Värähtelynopeusvasteen perusteella määritetty laskennallinen äänenpainetaso (dB(A)) jää kuitenkin riittävän matalaksi (Kuva 4)
• Ilmiön tunnistaminen auttaa vastaavien rakenteiden myöhemmässä suunnittelussa. Staattorirungon tähtimäisen ominaismuodon tulee esiintyä riittävän korkealla taajuudella resonanssin välttämiseksi