Das Betriebsgeräusch von Elektromotoren verstehen

Picture of Jürgen Wibbeler Jürgen Wibbeler 16.01.2026

Strukturmechanik Elektromagnetik TechArticle

Während ich diesen Text verfasse, ist das Notebook praktisch nicht hörbar. Nur wenn es richtig arbeiten muss, bläst es mit deutlichem Rauschen die warme Luft hinaus. Vor zwanzig Jahren war das anders: Lüfter und Festplatten surrten dauerhaft unter dem Schreibtisch. Heute sind rotierende Festplatten fast verschwunden, die Lüfter bleiben – aber den Motor darin hört man kaum noch.

Geräuschanregende Schwingungen in einem Elektromotor

Geräuschanregende Schwingungen in einem Elektromotor | © CADFEM / Adobe Stock / ID: MJ5HEE

Zusammenfassung

Geräuschquellen erkennen: Elektromotoren erzeugen tonale und breitbandige Geräusche durch magnetische Luftspaltkräfte. Diese wirken zeitlich und räumlich periodisch und prägen das akustische Verhalten.
Simulation nutzen: Ansys Maxwell und Motor-CAD erfassen Luftspaltkräfte, die an Ansys Mechanical für Harmonic-Response- und Akustiksimulationen übergeben werden – Resonanzen und Geräuschentwicklung werden sichtbar.
Optimierung ermöglichen: Der Workflow von Elektromagnetik bis Akustik erlaubt Vorhersage und Reduktion von Motorgeräuschen. Ansys Sound ergänzt psychoakustische Bewertungen und Hörtests für praxisnahe Verbesserungen.

Woher kommen die Töne?

Ein Antriebssystem birgt verschiedene Geräuschquellen. Am Anfang steht das Drehfeld im Elektromotor mit seinen magnetischen Luftspaltkräften, die Stator und Gehäuse zum Schwingen anregen und Drehmomentschwingungen am Rotor verursachen können. Das Lüfterrauschen zählt zu den Strömungsgeräuschen. Während diese meist breitbandig sind, erzeugen Elektromotoren oft tonale Schwingungen auf bestimmten Frequenzen, sogenannten zeitlichen Ordnungen. Sie treten als Vielfache der Drehzahl auf und hängen vom Motordesign ab, etwa Pol- und Nutzahl. Kommutatoren und Umrichter reichern das Spektrum mit weiteren, oft dominierenden Frequenzen an. Tonale Geräusche – selbst schwach ausgeprägt – können im Alltag im Vergleich zu den breitbandigen sehr störend sein.

Will man die Motorgeräusche vorausberechnen und ggf. reduzieren, muss man folgerichtig bei den Luftspaltkräften zwischen Rotor und Stator beginnen. Sowohl Ansys Maxwell als auch Ansys Motor-CAD bieten die Möglichkeit, die an den Ständerzähnen wirkenden Kräfte als Funktionen des Rotordrehwinkels bzw. der Zeit aus der FE-Simulation aufzuzeichnen. Ein Blick in deren Struktur lohnt sich, um die Schwingungsanregung besser zu verstehen. Die Luftspaltkräfte sind nämlich nicht nur zeitlich, sondern auch räumlich periodisch. Es bilden sich zyklische Kraftdichtemuster über dem Luftspaltumfang aus. Sie enthalten verschiedene Wellenzahlen auf dem Vollkreis, die man als räumliche Ordnungen bezeichnet.

Magnetfeldberechnung mit Ansys Maxwell: Feldlinien eines vierpoligen Permanentmagnet-Motors (links) und Kraftdichtevektoren am Stator über dem Luftspaltumfang (rechts)

Magnetfeldberechnung mit Ansys Maxwell: Feldlinien eines vierpoligen Permanentmagnet-Motors (links) und Kraftdichtevektoren am Stator über dem Luftspaltumfang (rechts) | © CADFEM / ID:P4A9WV

Im Bild sieht man vier ausgeprägte Kraftdichtemaxima, was der 4. räumlichen Ordnung entspricht. Weitere enthaltene Ordnungen, die visuell nicht mehr so einfach zu erkennen sind, kann man durch Fourierzerlegung ermitteln. Gegen die verschiedenen räumlichen Ordnungen in der Anregung ist jeder Ständer unterschiedlich empfindlich und zeigt ganz verschiedene Resonanzfrequenzen. Ein gelungenes Motordesign wird nun vermeiden, dass die Ordnungen im Betriebsbereich des Motors sensible Resonanzen des Ständers und des Gehäuses anregen.

Wie reagiert die Struktur auf die Anregungen?

Die Luftspaltkräfte können bereits wichtige Hinweise geben, ob man potenziell einen „Krachmacher“ konstruiert. Vergleichende Besser-Schlechter-Analysen des elektromagnetischen Aktivteils sind damit in jedem Fall möglich. Um allerdings die resultierende Schwingung auf der exponierten Gehäuseoberfläche zu bekommen und dann gegebenenfalls auch bis zur Luftschallabstrahlung weiterzurechnen, koppelt man die Luftspaltkräfte im Frequenzbereich in eine strukturdynamische Harmonic-Response-Analyse ein. Zwischen Ansys Maxwell bzw. Motor-CAD und Ansys Mechanical gibt es dafür ein vorbereitetes, XML-basiertes Interface.

Code:

# import libraries
import os
from ansys.geometry.core import launch_modeler_with_discovery

# create string with discovery code
cmd = """
# fix Small Faces with a smaller width of 1.5 mm
FixSmallFaces.FindAndFix(FixSmallFacesOptions(Width=MM(1.5)))

# define variables
bending_face = None
z_bending_face = float('inf')

# loop through faces
for face in GetRootPart().Bodies[0].Faces:

# get z coordinates and shape
z_cordinates = face.EvalMid().Point.Z
shape = face.Shape.Geometry.ToString()

# get bending face on the bottom
if (shape.Contains("Cylinder")):

if(z_cordinates < z_bending_face):

z_bending_face = z_cordinates
bending_face = face

# […] identify other important faces (clamping faces for example)

# save the faces in named selections
Selection.Create(bending_face).CreateAGroup("bending_face")
# […] also save other faces in named selections

"""

# create a text file and input the discovery code
fd = os.getcwd()
path = os.path.join(fd, "discovery.py")
with open(path, "w", encoding="utf-8") as file:

file.write(cmd)

# start discovery, open the geometry and run the code
modeler = launch_modeler_with_discovery(product_version = 251, hidden = True)
design = modeler.open_file(os.path.join(fd,"geometry.step"))
modeler.run_discovery_script_file(os.path.join(fd,"discovery.py"))

# save the finished geometry and delete the code file
design.save(os.path.join(fd,"geometry_prepared.scdocx"))
modeler.close()
os.remove("discovery.py")

Code:

# import libraries
import os
import ansys.meshing.prime as prime
from ansys.meshing.prime.graphics.plotter import PrimePlotter

# start client and assign lucid meshing
prime_client = prime.launch_prime()
model = prime_client.model
mesh_util = prime.lucid.Mesh(model=model)

# define path to geometry
fd = os.getcwd()
input_file = os.path.join(fd," geometry_prepared.dsco ")

# create a surface mesh
mesh_util.read(file_name=input_file)
mesh_util.surface_mesh(min_size=2.0)

# create a volume mesh and display
mesh_util.volume_mesh()
display = PrimePlotter()
display.plot(model, update=True)
display.show()

# save mesh
mesh_file_cdb = os.path.join(fd, "mesh.cdb")
mesh_util.write(mesh_file_cdb)

Transfer der Zahnkräfte und -momente von der elektromagnetischen in die strukturdynamische Simulation

Transfer der Zahnkräfte und -momente von der elektromagnetischen in die strukturdynamische Simulation | © CADFEM / ID: UTZ6R6

Aus der mechanischen Oberflächenschwingung lässt sich direkt der Körperschallpegel als Equivalent Radiated Power (ERP) im Spektrum darstellen. Man kann den gesamten Workflow in Drehzahlschritten über einen Drehzahlbereich als Hochlaufsimulation ausführen. In einem sogenannten Wasserfalldiagramm werden Schwingungs- und akustische Spektren über der Drehzahl visualisiert. Resonanzpeaks im Wasserfalldiagramm geben Aufschluss darüber, welche zeitliche Ordnung bei welcher Drehzahl eine mechanische Resonanzfrequenz trifft. Zum Beispiel wird bei 4500 rpm von der 24. Ordnung (1800 Hz) die Torsionsresonanz des Gehäuses angeregt. Das sind die Drehmomentschwingungen am Rotor, die als Gegenmoment ebenso am Ständer wirken. Bei 7000 rpm wiederum wird durch die 32. zeitliche Ordnung (3733 Hz) die vierzählige Eigenresonanz des Ständers und Gehäuses angeregt. Ursache hierfür ist die im Abschnitt 1 bereits erwähnte 4. räumliche Ordnung in den Luftspaltkräften, die mit dieser Eigenform zum Nachteil des akustischen Verhaltens zusammenspielt.

ERP-Wasserfalldiagramm einer harmonischen Analyse für einen Hochlauf in Ansys Mechanical und Beispiele für die Schwingungsformen bei zwei ausgewählten Resonanzen; Jeder Strahl im Diagramm repräsentiert den durch eine zeitliche Anregungsordnung (4, 8, 12, …) verursachten Körperschallpegel entlang der Drehzahl

ERP-Wasserfalldiagramm einer harmonischen Analyse für einen Hochlauf in Ansys Mechanical und Beispiele für die Schwingungsformen bei zwei ausgewählten Resonanzen; Jeder Strahl im Diagramm repräsentiert den durch eine zeitliche Anregungsordnung (4, 8, 12, …) verursachten Körperschallpegel entlang der Drehzahl | © CADFEM / ID: O4LXZY

Whitepaper

Abgleich des FE-Modells mit der realen Welt

Für die strukturdynamische Simulation ist es entscheidend, dass Eigenmoden und Eigenfrequenzen des FE-Modells so gut wie möglich mit der Realität übereinstimmen. Viele Modellparameter, wie z.B. Kontaktsteifigkeiten von Fügestellen, sind unscharf oder weitgehend unbekannt.

Den parametrischen Abgleich eines FE-Modells an eine experimentelle Modalanalyse (EMA) mit Hilfe des NVH Toolkit in Ansys Mechanical sowie Ansys optiSLang haben wir in einem White Paper beschrieben.

Whitepaper anfordern (in Englisch)

Und wie hört sich das Ganze an?

Genauere Ergebnisse zur Abstrahlleistung sowie die räumliche Verteilung des Schalldruckpegels (SPL) liefert eine angeschlossene Harmonic-Acoustics-Analyse des Schallfeldes. Ein wesentliches Ergebnis der Luftschallanalyse ist eine geringere tatsächliche Abstrahlleistung, als vom Körperschallpegel ERP angezeigt wird. Für den beispielhaften Datenpunkt 4500 rpm und 1800 Hz beträgt der ERP-Wert 82.5 dB. Dagegen werden in der Luftschallanalyse nur 74.3 dB als Abstrahlleistung berechnet (Sound Power Level). Grund hierfür sind phasenbedingte Auslöschungen im Schallfeld („akustischer Kurzschluss“), die im ERP-Wert keine Berücksichtigung finden.

Code:

# import libraries
import os
from ansys.dpf import core as dpf

# open result file
fd = os.getcwd()
model = dpf.Model(os.path.join(fd,"result.rst"))

# get results and mesh
results = model.results
mesh = model.metadata.meshed_region

# extract displacement results
displacements = results.displacement()
field = displacements.outputs.fields_container()

# export the displacement field
my_export = dpf.operators.serialization.vtk_export()
my_export.inputs.file_path.connect(os.path.join(fd,"displacement.vtk"))
my_export.inputs.fields1.connect(field)
my_export.inputs.mesh.connect(mesh)
my_export.run()

# shutdown all dpf servers
dpf.server.shutdown_all_session_servers()

Blog_Maxwell-Mechanical-Geraeusche_Akustische-Schallfeld-

Akustisches Schallfeld (Schalldruckpegel) der Gehäuse-Torsionsschwingung bei 4500 rpm, 1800 Hz: Konturplot und Polardiagramm in der Ebene senkrecht zur Motorachse | © CADFEM / ID: 46PU50

Es ist naheliegend und leicht, aus den berechneten ERP- oder SPL-Spektren wieder einen Sound zum Anhören zu generieren. Tatsächlich lassen sich aus Ansys Mechanical direkt WAV-Dateien exportieren. Allerdings hören sich solche simulierten Motorgeräusche meist sehr „steril“ an. Die Wahrnehmung eines emittierten Geräusches wird nämlich stark vom Übertragungsweg bis zum Ohr sowie von den einfallenden Nebengeräuschen beeinflusst. Ein einfaches Werkzeug, mit dessen Hilfe man berechnete und messtechnisch aufgenommene Sounds mischen, mit Übertragungsfrequenzgängen beaufschlagen oder anderweitig verarbeiten kann, ist das Tool Ansys Sound - Analysis and Specification (SAS).

Auch psychoakustische Kenngrößen des Geräusches lassen sich mit SAS nach verschiedenen Standards ermitteln. Nehmen Sie am Seminar zu Ansys Sound teil und lernen bzw. hören Sie selbst, welche Auswirkungen etwaige Layoutveränderungen in der subjektiven Akustik hervorrufen. Auf diese Weise kommt man der realen Wahrnehmung schon deutlich näher.

Ansys Fluent GPU Performance Testing – Use Case

Ob im Maschinenbau, in der Luftfahrt oder bei der Produktentwicklung: Strömungssimulationen sind für präzise und schnelle Entwicklungsprozesse unerlässlich. Doch wie unterscheiden sich CPU- und GPU-basierte Simulationen, und was sind die wichtigsten Kriterien bei der Hardwarebewertung? Dieser Beitrag beleuchtet grundlegende Unterschiede, Leistungsmetriken und die Anwendungsmöglichkeiten von GPU- und CPU-Setups für Ihre CFD-Projekte.t

Use Case entdecken

Lesen ist Silber, Hören ist Gold

Die Minimierung der Schallabstrahlung ist zu einem Kernthema bei der Entwicklung elektrischer Antriebe geworden. Deshalb hört man heute von der Kühlung im Notebook kein Surren und Singen mehr, und gleichermaßen sind viele andere Elektrogeräte leiser geworden. Ansys-Werkzeuge unterstützen die notwendigen Analysen und gezielte Einflussnahmen. Mit der elektromagnetischen, strukturdynamischen und akustischen Simulation sowie den erforderlichen Schnittstellen steht ein nahtloser Berechnungsablauf für Motorgeräusche zur Verfügung.

Innerhalb der Ansys Workbench wird dieser Ablauf sogar vollständig integriert angeboten. Die elektromagnetische Simulation (Ansys Maxwell 2D oder 3D), Harmonic-Response-Analyse (Ansys Mechanical) und Harmonic-Acoustics-Analyse (Ansys Mechanical) werden dafür in einem Workbench-Projekt platziert und durch grafische Verbindung miteinander gekoppelt. Dann übernimmt die interne Projektlogik den Transfer der Daten von einem Modul zum nachfolgenden.

Integrierter Simulations-Workflow von der Elektromagnetik bis zur Akustik in Ansys Workbench

Integrierter Simulations-Workflow von der Elektromagnetik bis zur Akustik in Ansys Workbench | © CADFEM / ID: CI6FXE

Im Seminar Geräusche elektrischer Antriebe simulieren erlernen Sie praxisnah die Nutzung dieses Workflows, um eigenständig die Geräuschentstehung in ihren elektrischen Maschinen zu verstehen und Optimierungspotenziale auszuloten. Wenn bei Ihnen aber nicht nur die elektrische Maschine selbst, sondern auch Getriebe und Lager eine Rolle spielen, darf ich Sie auf den nächsten TechArticle dieser Reihe zum Thema Geräuschentwicklung in Maschinen verweisen …