仿真如何帮助您克服电动机器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——从医疗设备到电动移动和家用电器。高水平的振动降低了电机的寿命，同时产生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会产生振动声特征。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到的噪音限制在某个可接受的水平。

采用嵌入式电机的多组件系统，如电动汽车、家用电器和医疗设备，是复杂的系统。由于这种复杂性和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是不容易预测的。在设计和优化静音电机时依赖纯实验方法会显著增加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。在这一阶段进行设计更改的成本很高，而且会延误生产周期。这就是模拟发挥作用的地方。在设计周期开始时，仿真可以帮助准确预测振动和声学噪声，因此是降低生产成本和上市时间的关键。

电机噪音的原因是什么?

“电机”是电机和发电机等机器的总称。它们的主要功能是将电能转换为机械能，反之亦然。在这些复杂的机器运行过程中，产生振动和噪声的原因多种多样，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，尤其是径向力，是电机发出刺耳声音的主要原因。电磁力有两个分量:径向力和切向力。在产生振动时，径向力不促进能量转换。另一方面，切向力通过平均电磁转矩进行能量转换，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，再通过表面位移辐射到周围空间。

为什么预测电机振动和噪声具有挑战性?

由于不同的物理域和这些域之间复杂的相互作用，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。为了精确预测电机产生的噪声，需要电磁、热力学和振动-声学分析以耦合的方式进行。当你将电机视为一个更大系统(如电力动力系统)的组成部分时，这就变得更具挑战性了。电机与系统其他部件(如变速箱和安装硬件)之间的相互作用对振动和声学噪声有显著影响，在仿真中应予以考虑。因此，要准确预测声波噪声，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，以考虑所有涉及的物理。
2. 一个连接所有不同物理元素的平台。
3. 能够参数化和优化机器设计参数的每个物理涉及。
4. 高性能计算(HPC)能力，加速仿真。

为了优化NVH性能，需要对设计进行详细的NVH分析，但对于概念设计和尺寸调整阶段，这可能不是最佳解决方案，因为设计师需要在众多选择中选择适当的拓扑结构，并进行迭代权衡设计研究。在设计和调整过程中进行快速NVH检查可以消除高噪声情况，并通过避免在优化过程中进行重大更改来节省大量时间。快速NVH工作流仍然应该包括主要的物理和更省时的模型。

利用仿真来满足电机中的NVH要求

万博Ansys为电机提供端到端的NVH解决方案。该解决方案包括一个快速NVH工作流和一个用于计算电磁和机械源噪声的高保真NVH工作流。气动声源噪声也可以用Ansys Fluent进行计算。万博

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/拓扑的噪声水平，只需几分钟就可以预测全速扫瞄的噪声。它可以在早期识别电机噪声的原因，并帮助进行相关的设计更改，以权衡其他电机性能目标，允许同时调查NVH、热和电磁行为。

图3所示的工作流完全集成到万博Ansys Motor-CAD．首先是电流驱动的，基于有限元的电磁分析，其中气隙力是使用麦克斯韦应力张量方法计算的。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，这些力被一个解析力学模型用来计算自由运动和力响应。然后将表面速度转换为分析声学模型来计算声功率级。该工作流可以针对不同的扭矩、速度和温度值运行。

Ansys Motor-CAD中的NVH万博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，工作流的速度还允许快速设计迭代，以研究许多不同的选项，以提高NVH性能。

高保真度是关键

一个高保真的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。我们希望带您通过Ansys的真正一流的多物理工作流程。万博

完整的工作流程如图5所示:首先在Ansys Motor-CAD中选择最佳设计候选。万博在此基础上，可以自动生成二维或三维Maxwell模型。详细的磁分析在万博Ansys麦克斯韦计算机器内部的电磁力。电路耦合瞬态分析为用户提供了考虑电力电子变换器载波谐波的能力。

电磁力自动映射到机械模型中万博Ansys机械用于振动声分析。电机结构的细节，如轴承、外壳和安装可以通过自然频率和总体阻尼的变化显著地影响振动行为。这在力学中可以在时域和频域中精确地建模。在电动传动系统的情况下，来自变速箱、轴承和辅助系统的机械源振动也可以添加使用万博Ansys运动．Ansys力学中的声学模块计算电机表面辐射到周万博围环境的声功率。

最后，计算出的声学噪声可以发送到万博Ansys的声音用于生成可听见的声音和额外的后处理。同时，空气声学噪声可以用万博Ansys流利并转移到Ansys Sound中，与来万博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提供了万博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如何在Ansys Workbench内部连接不同的物理以执行NVH分析。万博

万博Ansys为电机提供从概念设计到声音感知水平的NVH仿真解决方案。提供了多物理场快速和高保真的工作流程，以解决整个设计和验证过程中的NVH分析需求。此外,万博Ansys optiSLang得益于Ansys高性能计算和云解决方案，可用于优化快速和高保真NVH工作流程中的NVH性能。万博

要了解更多关于NVH工作流的现实生活中的例子，观看这个点播网络研讨会。

参考文献

1. R. M. Pindorya等人，“无刷直流电机驱动的振动和声学噪声分析”，DOI:10.1109 / PESGM.2018.8585750