基于Motor-CAD的永磁同步電機(jī)變速工況E-NVH仿真分析

發(fā)布人：西莫電機(jī)論壇時(shí)間：2023-02-04 來(lái)源：工程師

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1 前言

目前，新源汽車電機(jī)的噪聲問題變得越來(lái)越突出，電機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲是設(shè)計(jì)人員研究的熱點(diǎn)問題，而電磁振動(dòng)噪聲的激勵(lì)源電磁力波至關(guān)重要。本文基于Motor-CAD對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行電磁振動(dòng)噪聲（E-NVH）仿真分析，為永磁同步電機(jī)的E-NVH分析提供理論依據(jù)，并為永磁同步電機(jī)的E-NVH提供優(yōu)化途徑。Motor-CAD是全球領(lǐng)先的新能源汽車電機(jī)選型分析及設(shè)計(jì)軟件，用于新能源汽車電機(jī)的選型匹配，優(yōu)化設(shè)計(jì)，競(jìng)品分析，拆解分析等。開發(fā)至今，已被全球主要的整車生產(chǎn)企業(yè)、電機(jī)生產(chǎn)商、科研機(jī)構(gòu)及高校等廣泛使用。Motor-CAD集成化軟件包，可在選型、設(shè)計(jì)階段高效地對(duì)電機(jī)進(jìn)行電磁和熱性能測(cè)試；軟件包括：電磁（EMag）、熱（Therm）、機(jī)械模塊（Mechanical）和虛擬實(shí)驗(yàn)室（Lab）四個(gè)模塊，可在幾分鐘內(nèi)精確評(píng)估電磁、熱和電磁振動(dòng)噪聲特性。

2 基于Motor-CAD的E-NVH仿真分析2.1 Motor-CAD 軟件中的電機(jī)模型

本例以一臺(tái)48S8P永磁同步電機(jī)為例，對(duì)電機(jī)的電磁噪聲進(jìn)行仿真分析。通過Motor-CAD中的Mechanical模塊對(duì)電機(jī)E-NVH進(jìn)行仿真分析，為后續(xù)的降噪方案提供思路。表1所示為電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

主體結(jié)構(gòu)及其尺寸 (mm)
定子鐵芯外徑	190	定子鐵芯內(nèi)徑	122
定、轉(zhuǎn)子鐵芯長(zhǎng)度	119	氣隙長(zhǎng)度	1
最大轉(zhuǎn)速rpm	10000	轉(zhuǎn)子鐵芯外徑	120
引出線端繞組端部的軸向長(zhǎng)度	39	轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)徑	40

Motor-CAD 是專業(yè)的電機(jī)設(shè)計(jì)軟件包括電磁、熱、振動(dòng)噪聲及機(jī)械應(yīng)力等模塊，并且可通過軟件參數(shù)化模板，快速建立電機(jī)模型，無(wú)需復(fù)雜的幾何畫圖等。下圖所示電機(jī)的Motor-CAD模型圖及電磁計(jì)算磁場(chǎng)分布圖。

圖1 樣機(jī)軸向及軸向結(jié)構(gòu)圖

圖2 磁密云圖

2.2 Motor-CAD 分析E-NVH前準(zhǔn)備

2.2.1 在應(yīng)用Motor-CAD 分析電機(jī)電磁噪聲時(shí)，需要對(duì)氣隙磁密進(jìn)計(jì)算。并需要對(duì)氣隙進(jìn)行加密處理，如下圖所示為電機(jī)氣隙加密操作。在對(duì)氣隙加密時(shí)，加密點(diǎn)數(shù)為槽數(shù)極數(shù)最小公倍數(shù)。

圖3 氣隙加密設(shè)置

2.2.2 在進(jìn)行電磁噪聲計(jì)算時(shí)，必須電磁計(jì)算完成后才能切換到機(jī)械模塊進(jìn)行設(shè)置，下圖所示為進(jìn)行集中力設(shè)置，主要包括：齒部節(jié)點(diǎn)數(shù)和節(jié)點(diǎn)包含實(shí)際點(diǎn)數(shù)。

圖4 定子齒部集中力設(shè)置

2.3 Motor-CAD 單點(diǎn)工況E-NVH仿真分析

2.3.1 單點(diǎn)工況分析具體設(shè)置

在進(jìn)行單點(diǎn)工況分析時(shí)，需要進(jìn)行工況點(diǎn)激勵(lì)設(shè)置下圖所示為單點(diǎn)工況分析激勵(lì)設(shè)置—3200rpm@223N.m。具體的是3個(gè)步驟：1.添加需要計(jì)算的工況；2.計(jì)算電機(jī)外特性曲線；3.計(jì)算對(duì)應(yīng)工況的電磁力、振動(dòng)噪聲等。

圖5 定子齒部集中力設(shè)置

2.3.2 模態(tài)及電磁力計(jì)算結(jié)果分析

在計(jì)算完成后，需對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。Motor-CAD包含了豐富的后處理功能。下圖所示為模態(tài)計(jì)算結(jié)果，包括了模態(tài)等效集中質(zhì)量、等效集中剛度及模態(tài)固有頻率。

圖6 定子模態(tài)計(jì)算結(jié)果在分析電磁振動(dòng)噪聲時(shí)，主要是分析靠近定子側(cè)的電磁力。下圖所示為電機(jī)氣隙一點(diǎn)徑向力隨時(shí)間變化波形及fft，從中我們可以得到各次諧波幅值大小。

圖7 電磁力計(jì)算結(jié)果下圖所示為電機(jī)氣隙時(shí)空波形及其傅里葉分解，從中我們可以得到各次諧波幅值大小。

圖8 電磁力計(jì)算結(jié)果下圖所示為電機(jī)氣隙徑向力時(shí)空波形及其二位傅里葉分解。從中可以看到各次諧波值。

圖9 電機(jī)徑向磁密時(shí)空波形及其二維傅里葉分解

2.3.3 電磁振動(dòng)結(jié)果分析：

下圖所示為定子靜態(tài)位移，從中可知，0階0倍頻靜態(tài)位移和8階2倍頻靜態(tài)位移較大，由2.3.2節(jié)可知這是因?yàn)榇穗姶帕^大。

圖10 電機(jī)定子靜態(tài)位移下圖所示是定子模態(tài)放大系數(shù)，在各階模態(tài)固有頻率處放大系數(shù)較大。

圖11 定子模態(tài)放大系數(shù)下圖所示為動(dòng)態(tài)位移，由圖可知0階0倍頻靜態(tài)位移和8階2倍頻靜態(tài)位移較大，由2.3.2節(jié)可知這是因?yàn)殡姶帕Υ蟮摹?/span>

圖12 電機(jī)定子動(dòng)態(tài)位移下圖所示為振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度，由圖可知0階和8階振動(dòng)速度、加速度較大。

圖13 電機(jī)定子振動(dòng)速度

圖14 電機(jī)定子振動(dòng)加速度

2.3.4 電磁噪聲結(jié)果分析

下圖所示為電機(jī)定子輻射聲功率，從中可知0階12倍頻，8階10倍頻14倍頻輻射聲功率較大。

圖15 電機(jī)定子輻射聲功率

2.4 Motor-CAD 變速工況E-NVH仿真分析

2.4.1 變速工況具體設(shè)置

在進(jìn)行變速工況分析時(shí)，需要進(jìn)行工況點(diǎn)激勵(lì)設(shè)置下圖所示為最大外特性曲線。具體的是4個(gè)步驟： 1.計(jì)算電機(jī)外特性曲線；2.添加需要計(jì)算的工況；3.計(jì)算對(duì)應(yīng)工況的電流、電流角等；4.計(jì)算變速電磁力、振動(dòng)噪聲。

圖16 電機(jī)變速工況電磁振動(dòng)噪聲分析步驟

2.4.2 變速電磁噪聲結(jié)果分析

Motor-CAD包含了豐富的噪聲后處理功能，下圖所示為噪聲階次分析結(jié)果，噪聲值由最大到小分列，由圖可知，0階12倍頻所產(chǎn)生的噪聲最大，8階14倍頻次之；產(chǎn)生噪聲的來(lái)源主要是0階、8階電磁力波。

圖17 電機(jī)噪聲階次圖下圖所示為電磁噪聲瀑布圖，由圖中的結(jié)果分析可知，噪聲主要由兩個(gè)共振帶引起，分別為0階模態(tài)和8階模態(tài)。

圖18 電機(jī)噪聲瀑布圖下圖所示為Motor-CAD軟件計(jì)算得到的各次電磁力波引起的噪聲瀑布圖，由圖中的結(jié)果分析可知，噪聲主要由兩個(gè)共振帶引起，分別為0階模態(tài)和8階模態(tài)。

圖19 各階電磁力波引起的電磁噪聲瀑布圖

3 結(jié)論

本文對(duì)一臺(tái)48S8P電機(jī)噪聲進(jìn)行分析，可知噪聲來(lái)源主要為：1.結(jié)構(gòu)的0階、8階模態(tài)；2.電磁力波的0階12倍頻，8階14倍頻。利用Motor-CAD進(jìn)行電機(jī)電磁噪聲分析。從中可以分析出電機(jī)噪聲來(lái)源，為電機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲提供改進(jìn)依據(jù)。

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