基于Motor-CAD的永磁同步电机变速工况E-NVH仿真分析
1 前言
目前，新源汽车电机的噪声问题变得越来越突出，电机的电磁振动噪声是设计人员研究的热点问题，而电磁振动噪声的激励源电磁力波至关重要。本文基于Motor-CAD对永磁同步电机进行电磁振动噪声（E-NVH）仿真分析，为永磁同步电机的E-NVH分析提供理论依据，并为永磁同步电机的E-NVH提供优化途径。 Motor-CAD是全球领先的新能源汽车电机选型分析及设计软件，用于新能源汽车电机的选型匹配，优化设计，竞品分析，拆解分析等。开发至今，已被全球主要的整车生产企业、电机生产商、科研机构及高校等广泛使用。 Motor-CAD集成化软件包，可在选型、设计阶段高效地对电机进行电磁和热性能测试；软件包括：电磁（EMag）、热（Therm）、机械模块（Mechanical）和虚拟实验室（Lab）四个模块，可在几分钟内精确评估电磁、热和电磁振动噪声特性。
2 基于Motor-CAD的E-NVH仿真分析
2.1 Motor-CAD 软件中的电机模型
本例以一台48S8P永磁同步电机为例，对电机的电磁噪声进行仿真分析。通过Motor-CAD中的Mechanical模块对电机E-NVH进行仿真分析，为后续的降噪方案提供思路。表1所示为电机的主要结构参数。
表1 电机的主要结构参数
| 主体结构及其尺寸 (mm) | |||
| 定子铁芯外径 | 190 | 定子铁芯内径 | 122 |
| 定、转子铁芯长度 | 119 | 气隙长度 | 1 |
| 最大转速rpm | 10000 | 转子铁芯外径 | 120 |
| 引出线端绕组端部的轴向长度 | 39 | 转子铁芯内径 | 40 |
Motor-CAD 是专业的电机设计软件包括电磁、热、振动噪声及机械应力等模块，并且可通过软件参数化模板，快速建立电机模型，无需复杂的几何画图等。下图所示电机的Motor-CAD模型图及电磁计算磁场分布图。
图1 样机轴向及轴向结构图
图2 磁密云图
2.2 Motor-CAD 分析E-NVH前准备
2.2.1 在应用Motor-CAD 分析电机电磁噪声时，需要对气隙磁密进计算。并需要对气隙进行加密处理，如下图所示为电机气隙加密操作。在对气隙加密时，加密点数为槽数极数最小公倍数。
图3 气隙加密设置
2.2.2 在进行电磁噪声计算时，必须电磁计算完成后才能切换到机械模块进行设置，下图所示为进行集中力设置，主要包括：齿部节点数和节点包含实际点数。
图4 定子齿部集中力设置
2.3 Motor-CAD 单点工况E-NVH仿真分析
2.3.1 单点工况分析具体设置
在进行单点工况分析时，需要进行工况点激励设置下图所示为单点工况分析激励设置—3200rpm@223N.m。具体的是3个步骤：1.添加需要计算的工况；2.计算电机外特性曲线；3.计算对应工况的电磁力、振动噪声等。
图5 定子齿部集中力设置
2.3.2 模态及电磁力计算结果分析
在计算完成后，需对结果进行分析。Motor-CAD包含了丰富的后处理功能。下图所示为模态计算结果，包括了模态等效集中质量、等效集中刚度及模态固有频率。
图6 定子模态计算结果 在分析电磁振动噪声时，主要是分析靠近定子侧的电磁力。下图所示为电机气隙一点径向力随时间变化波形及fft，从中我们可以得到各次谐波幅值大小。
图7 电磁力计算结果 下图所示为电机气隙时空波形及其傅里叶分解，从中我们可以得到各次谐波幅值大小。
图8 电磁力计算结果 下图所示为电机气隙径向力时空波形及其二位傅里叶分解。从中可以看到各次谐波值。
图9 电机径向磁密时空波形及其二维傅里叶分解
2.3.3 电磁振动结果分析：
下图所示为定子静态位移，从中可知，0阶0倍频静态位移和8阶2倍频静态位移较大，由2.3.2节可知这是因为此电磁力较大。
图10 电机定子静态位移 下图所示是定子模态放大系数，在各阶模态固有频率处放大系数较大。
图11 定子模态放大系数 下图所示为动态位移，由图可知0阶0倍频静态位移和8阶2倍频静态位移较大，由2.3.2节可知这是因为电磁力大的。
图12 电机定子动态位移 下图所示为振动速度和振动加速度，由图可知0阶和8阶振动速度、加速度较大。
图13 电机定子振动速度
图14 电机定子振动加速度
2.3.4电磁噪声结果分析
下图所示为电机定子辐射声功率，从中可知0阶12倍频，8阶10倍频14倍频辐射声功率较大。
图15 电机定子辐射声功率
2.4 Motor-CAD 变速工况E-NVH仿真分析
2.4.1 变速工况具体设置
在进行变速工况分析时，需要进行工况点激励设置下图所示为最大外特性曲线。具体的是4个步骤： 1.计算电机外特性曲线；2.添加需要计算的工况；3.计算对应工况的电流、电流角等；4.计算变速电磁力、振动噪声。
图16 电机变速工况电磁振动噪声分析步骤
2.4.2 变速电磁噪声结果分析
Motor-CAD包含了丰富的噪声后处理功能，下图所示为噪声阶次分析结果，噪声值由最大到小分列，由图可知，0阶12倍频所产生的噪声最大，8阶14倍频次之；产生噪声的来源主要是0阶、8阶电磁力波。
图17 电机噪声阶次图 下图所示为电磁噪声瀑布图，由图中的结果分析可知，噪声主要由两个共振带引起，分别为0阶模态和8阶模态。
图18 电机噪声瀑布图 下图所示为Motor-CAD软件计算得到的各次电磁力波引起的噪声瀑布图，由图中的结果分析可知，噪声主要由两个共振带引起，分别为0阶模态和8阶模态。
图19 各阶电磁力波引起的电磁噪声瀑布图
3 结论
本文对一台48S8P电机噪声进行分析，可知噪声来源主要为：1.结构的0阶、8阶模态；2.电磁力波的0阶12倍频，8阶14倍频。 利用Motor-CAD进行电机电磁噪声分析。从中可以分析出电机噪声来源，为电机的电磁振动噪声提供改进依据。
审核编辑：汤梓红
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原文标题：基于Motor-CAD的永磁同步电机变速工况E-NVH仿真分析
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