仿真如何帮助您克服电机NVH挑战

噪声、振动和粗糙度(NVH)是涉及电机的许多应用的重要设计标准-从医疗设备到电气化移动和家用电器。高水平的振动减少了电机的寿命，同时产生了巨大的声音噪音污染并对健康和舒适产生不利影响。此外，在军事设备等关键应用中，NVH可以产生振动声学特征。难怪一些国家和国际标准和认证要求将设备产生的振动和可听噪声限制在一定的可接受水平。

具有嵌入式电机(如电动汽车、家用电器和医疗设备)的多组件系统是复杂的系统。由于这种复杂性以及控制这些系统的磁性和结构行为的非线性耦合物理，如果没有适当的建模和仿真，应用中的声学噪声水平很难预测。在静音电机的设计和优化中，依靠纯粹的实验方法大大增加了设计修改的成本和时间。在许多情况下，NVH问题是在原型测试期间发现的，这是设计周期的最后阶段。在此阶段进行设计更改被证明是昂贵的，并且会延迟生产周期。这就是模拟发挥作用的地方。仿真可以帮助在设计周期开始时准确预测振动和噪声，因此是降低生产成本和缩短上市时间的关键。

电机产生噪音的原因是什么?

“电动机”是电动机和发电机等机器的总称。它们的主要功能是将电能转化为机械能，反之亦然。这些复杂的机器在运行过程中，存在各种各样的振动和噪声来源，如机械装配不完善、转子和风扇空气动力学、电磁力等。其中，电磁力，特别是径向力，是电机产生不愉快声音的主要原因。电磁力有两个分量:径向力和切向力。径向力在产生振动时不促进能量转换。另一方面，切向力通过平均电磁转矩进行能量转换，并通过转矩脉动产生噪声和振动。

气动噪声直接传播到周围空间，力和振动通过机械结构传递，再通过表面位移向周围空间辐射。

为什么预测电机的振动和噪声是一项挑战?

电机产生的振动和噪声的预测是一项重要但具有挑战性的任务，因为不同的物理域和这些域之间复杂的相互作用。电磁学、热力学和振动声学分析需要以一种耦合的方式来精确预测电机产生的噪声。当你把电机作为一个更大系统的组成部分，比如电动动力系统，这就变得更具挑战性了。电机与系统其他部分(如齿轮箱和安装硬件)之间的相互作用会显著影响振动和噪声，在仿真中应考虑到这一点。因此，要准确地预测噪声，有四个重要的基本要素:

1. 需要一个高保真的模拟解决方案来解释所有涉及的物理。
2. 一个将所有不同物理元素结合在一起的平台。
3. 能够参数化和优化机器设计参数的每一个物理涉及。
4. 高性能计算(HPC)能力，加速仿真。

一个详细的噪音分析需要对设计进行微调以优化NVH性能，但它可能不是概念设计和尺寸阶段的最佳解决方案，因为设计师需要在众多选择中选择合适的拓扑结构，并进行迭代权衡设计研究。在设计和尺寸过程中快速检查NVH可以消除高噪声情况，并且可以避免在优化过程中进行大量更改，从而节省大量时间。快速NVH工作流程仍应包括具有更省时模型的主要物理模型。

利用仿真来满足电机的NVH要求

Ansys为电机提供端到端的NVH解决方案。该解决方案包括快速NVH工作流程和高保真NVH工作流程，用于计算电磁和机械来源的噪声。气动源噪声也可以通过Ansys Fluent计算得到。

快速NVH工作流程

在概念设计阶段，需要快速比较不同电机设计/拓扑结构的噪声水平，并且只需几分钟即可预测全速扫描时的噪声。它可以在早期识别电机噪声的原因，并帮助在权衡其他电机性能目标的情况下进行相关的设计更改，从而同时研究NVH、热和电磁行为。

图3所示的工作流完全集成到Ansys Motor-CAD。首先是电流驱动的基于有限元的电磁分析，其中气隙力使用麦克斯韦应力张量法计算。这些力可以以各种形式连同它们的时域和频域谐波一起绘制出来。然后，用解析力学模型计算这些力的自由运动和强迫响应。然后将表面速度转换为分析声学模型来计算声功率级。该工作流可以在不同的扭矩、速度和温度值下运行。

Ansys Motor-CAD中的NVH工作流为设计人员提供了力、位移和声功率的各种表示形式，如图4所示。除了概念比较之外，工作流程的速度允许快速设计迭代，以研究许多不同的选项，以提高NVH性能。

高保真度是关键

高保真NVH工作流程需要使用2D和3D有限元方法(FEM)进行耦合多物理场分析。我们想带您通过一个真正的一流的多物理场工作流程Ansys。

查看完整的工作流程如图5所示:首先在Ansys Motor-CAD中选择最佳候选设计。然后，可以自动生成2D或3D Maxwell模型。详细的磁性分析在Ansys麦克斯韦计算机器内部的电磁力。电路耦合暂态分析为用户提供了考虑电力电子变流器载波谐波的能力。

电磁力自动映射到机械模型中Ansys机械用于振动声学分析。电动机结构的细节，如轴承、外壳和安装，可以通过改变固有频率和总体阻尼显著影响振动行为。这可以在机械时域和频域上精确地建模。在电动传动系统的情况下，也可以添加来自变速箱、轴承和辅助系统的机械源振动Ansys运动。Ansys机械中的声学模块计算电机表面向周围辐射的声功率。

最后将计算得到的噪声发送到Ansys的声音用于产生可听到的声音和额外的后处理。同时，气动声学噪声可以用Ansys流利并转移到Ansys Sound中，与来自机械和电磁源的声学噪声相结合。

为了将所有这些元素结合在一起，Ansys提供了工作台的平台在整个过程中连接所有物理和几种HPC算法，以加速高保真NVH计算。图6显示了一个示例，可以让您清楚地了解Ansys Workbench中如何连接不同的物理以执行NVH分析。

Ansys为电机NVH仿真提供从概念设计到声音感知级的解决方案。提供多物理场快速高保真工作流程，以满足整个设计和验证过程中的NVH分析需求。此外,Ansys optiSLangAnsys高性能计算和云解决方案可用于优化快速高保真NVH工作流程的NVH性能。

要了解更多关于NVH工作流程的实际示例，请观看此点播网络研讨会:电机NVH分析的多物理场仿真。

参考文献

1. r.m.p indorya等人，“无刷直流电机驱动的振动和噪声分析”，DOI:10.1109 / PESGM.2018.8585750