什么2D倾斜建模带来NVH模拟

为汽车应用设计电机需要工程师同时实现两个关键目标:在广泛的速度范围内最大限度地提高扭矩分布，并通过使扭矩尽可能平滑来减少扭矩波动。行驶过程中的转矩波动会反映在噪声中，在高速行驶时可能会成为乘客可听噪声污染的来源。在更多的工业应用中，电机通过电力电子元件连接到电网，转矩纹波可能会影响发电回电网的质量。因此，减少电磁转矩脉动和相关的机械和电磁噪声是很重要的。

此外，当有限元分析(FEA)应用于电机设计时，仿真速度和精度水平同样重要。在几乎所有情况下，设计师都不愿意考虑仿真速度和仿真精度之间的权衡，因为两者都很重要。

在许多情况下，选择三维几何的二维横截面用于电磁建模。在某些情况下，最大的问题是2D模型是否能达到所需的精度。例如，径向磁场电机的二维截面在考虑三维效应时存在局限性，例如，端绕组、定子和转子的不同轴向长度、不同类型的偏心或各种转子或定子设计的倾斜拓扑结构，分别如图1和图2所示。

由于电机歪斜本质上是一种3D现象，让我们考虑后一种情况，其中电机拓扑结构包括歪斜配置。在图3中，三维有限元模拟结果显示了倾斜和非倾斜机器的转矩脉动的差异。虽然这种3D方法实现了解决方案所需的精度，但由于较长的3D模拟时间，它无法解决设计过程所需的快速仿真速度。

获得2D仿真速度与3D精度

为了应对这些挑战，Ansys麦克斯韦介绍了一种数学算法，使设计人员能够利用二维有限元分析的速度，同时保持三维有限元模拟的准确性。这似乎具有挑战性，如果不是不可能的话，但随着新技术的发展，考虑到转子和定子电机配置的倾斜，这项任务在Ansys 2021 R2版本中变得更加可行和实用。图4显示了使用这种新算法对倾斜和非倾斜机器使用2D模型的扭矩脉动，与图3中的3D模型相比，获得了非常好的一致性。

Maxwell在其用户界面中提供了可定制的倾斜配置，工程师可以在其中定义自己的转子/定子倾斜拓扑。Maxwell二维瞬态求解器采用多片算法计算电机的动态性能。虽然2D有限元分析的速度比3D快得多，但Maxwell还提供了高性能计算(HPC)解决方案，通过采用并行块矩阵求解方案，将每个切片的有限元计算分配给一个消息传递接口(MPI)任务。这使得任何基于倾斜的拓扑的结果都是一个简单而快速的解决方案。

由于电机倾斜方案对转矩脉动有影响，因此必须建立一个快速准确的工作流程来评估其对驱动周期噪声的影响。因此，在二维模型的每个切片上计算电磁力并将其传递给谐波机械求解器进行求解噪声、振动和粗糙度(NVH)分析(图5)。

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除了倾斜增强，麦克斯韦2021 R2更新有更多的存储。

例如，为了增强永磁体拓扑结构的热管理，Maxwell现在支持多种温度相关的退磁特性，保留输入曲线的形状。

最后，在结束这篇博客之前，我必须强调NVH的具体增强功能，它涵盖了提高准确性水平的更多实际应用:

• 离散傅里叶变换的窗函数选项
• 基于任意斜片模型的物体谐力计算
• 增加各向异性弹性特性，增强磁致伸缩力建模

欲了解更多细节，请观看Ansys2021 R2 Maxwell网络研讨会。