基于Motor-CAD的永磁同步電機變速工況E-NVH仿真分析

1 前言

目前，新源汽車電機的噪聲問題變得越來越突出，電機的電磁振動噪聲是設計人員研究的熱點問題，而電磁振動噪聲的激勵源電磁力波至關重要。本文基于Motor-CAD對永磁同步電機進行電磁振動噪聲（E-NVH）仿真分析，為永磁同步電機的E-NVH分析提供理論依據，并為永磁同步電機的E-NVH提供優化途徑。 Motor-CAD是全球領先的新能源汽車電機選型分析及設計軟件，用于新能源汽車電機的選型匹配，優化設計，競品分析，拆解分析等。開發至今，已被全球主要的整車生產企業、電機生產商、科研機構及高校等廣泛使用。 Motor-CAD集成化軟件包，可在選型、設計階段高效地對電機進行電磁和熱性能測試；軟件包括：電磁（EMag）、熱（Therm）、機械模塊（Mechanical）和虛擬實驗室（Lab）四個模塊，可在幾分鐘內精確評估電磁、熱和電磁振動噪聲特性。

2 基于Motor-CAD的E-NVH仿真分析

2.1 Motor-CAD 軟件中的電機模型

本例以一臺48S8P永磁同步電機為例，對電機的電磁噪聲進行仿真分析。通過Motor-CAD中的Mechanical模塊對電機E-NVH進行仿真分析，為后續的降噪方案提供思路。表1所示為電機的主要結構參數。

表1 電機的主要結構參數

Motor-CAD 是專業的電機設計軟件包括電磁、熱、振動噪聲及機械應力等模塊，并且可通過軟件參數化模板，快速建立電機模型，無需復雜的幾何畫圖等。下圖所示電機的Motor-CAD模型圖及電磁計算磁場分布圖。

圖1 樣機軸向及軸向結構圖

圖2 磁密云圖

2.2 Motor-CAD 分析E-NVH前準備

2.2.1 在應用Motor-CAD 分析電機電磁噪聲時，需要對氣隙磁密進計算。并需要對氣隙進行加密處理，如下圖所示為電機氣隙加密操作。在對氣隙加密時，加密點數為槽數極數最小公倍數。

圖3 氣隙加密設置

2.2.2 在進行電磁噪聲計算時，必須電磁計算完成后才能切換到機械模塊進行設置，下圖所示為進行集中力設置，主要包括：齒部節點數和節點包含實際點數。

圖4 定子齒部集中力設置

2.3 Motor-CAD 單點工況E-NVH仿真分析

2.3.1 單點工況分析具體設置

在進行單點工況分析時，需要進行工況點激勵設置下圖所示為單點工況分析激勵設置—3200rpm@223N.m。具體的是3個步驟：1.添加需要計算的工況；2.計算電機外特性曲線；3.計算對應工況的電磁力、振動噪聲等。

圖5 定子齒部集中力設置

2.3.2 模態及電磁力計算結果分析

在計算完成后，需對結果進行分析。Motor-CAD包含了豐富的后處理功能。下圖所示為模態計算結果，包括了模態等效集中質量、等效集中剛度及模態固有頻率。

圖6 定子模態計算結果 在分析電磁振動噪聲時，主要是分析靠近定子側的電磁力。下圖所示為電機氣隙一點徑向力隨時間變化波形及fft，從中我們可以得到各次諧波幅值大小。

圖7 電磁力計算結果 下圖所示為電機氣隙時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 電磁力計算結果 下圖所示為電機氣隙徑向力時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 電機徑向磁密時空波形及其二維傅里葉分解

2.3.3 電磁振動結果分析：

下圖所示為定子靜態位移，從中可知，0階0倍頻靜態位移和8階2倍頻靜態位移較大，由2.3.2節可知這是因為此電磁力較大。

圖10 電機定子靜態位移 下圖所示是定子模態放大系數，在各階模態固有頻率處放大系數較大。

圖11 定子模態放大系數 下圖所示為動態位移，由圖可知0階0倍頻靜態位移和8階2倍頻靜態位移較大，由2.3.2節可知這是因為電磁力大的。

圖12 電機定子動態位移 下圖所示為振動速度和振動加速度，由圖可知0階和8階振動速度、加速度較大。

圖13 電機定子振動速度

圖14 電機定子振動加速度

2.3.4電磁噪聲結果分析

下圖所示為電機定子輻射聲功率，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 變速工況具體設置

在進行變速工況分析時，需要進行工況點激勵設置下圖所示為最大外特性曲線。具體的是4個步驟： 1.計算電機外特性曲線；2.添加需要計算的工況；3.計算對應工況的電流、電流角等；4.計算變速電磁力、振動噪聲。

圖16 電機變速工況電磁振動噪聲分析步驟

2.4.2 變速電磁噪聲結果分析

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果，噪聲值由最大到小分列，由圖可知，0階12倍頻所產生的噪聲最大，8階14倍頻次之；產生噪聲的來源主要是0階、8階電磁力波。

圖17 電機噪聲階次圖 下圖所示為電磁噪聲瀑布圖，由圖中的結果分析可知，噪聲主要由兩個共振帶引起，分別為0階模態和8階模態。

圖18 電機噪聲瀑布圖 下圖所示為Motor-CAD軟件計算得到的各次電磁力波引起的噪聲瀑布圖，由圖中的結果分析可知，噪聲主要由兩個共振帶引起，分別為0階模態和8階模態。

圖19 各階電磁力波引起的電磁噪聲瀑布圖

3 結論

本文對一臺48S8P電機噪聲進行分析，可知噪聲來源主要為：1.結構的0階、8階模態；2.電磁力波的0階12倍頻，8階14倍頻。 利用Motor-CAD進行電機電磁噪聲分析。從中可以分析出電機噪聲來源，為電機的電磁振動噪聲提供改進依據。

審核編輯：湯梓紅