什么2D倾斜建模带来的NVH仿真

设计用于汽车应用的电机要求工程师同时实现两个关键目标:在大范围的速度范围内最大化扭矩分布，并通过使扭矩尽可能平滑来减少扭矩波动。在行驶过程中，转矩波动会反映在噪音中，在高速行驶时，可能会成为乘客可听到的噪音污染源。在更多的工业应用中，电机通过电力电子元件连接到电网，转矩波动可能会影响发电回电网的质量。因此，降低电磁转矩脉动和相关噪声，无论是机械的还是电磁的，都是很重要的。

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，在模拟速度和模拟精度之间的权衡都不是设计师愿意考虑的问题，因为两者都很关键。

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模型能否达到所需的精度。例如，径向场电机的2D横截面在计算3D效应方面有局限性是有原因的——例如，末端绕组，定子和转子的不同轴向长度，不同类型的偏心，或不同转子或定子设计的倾斜拓扑，分别如图1和2所示。

由于电机倾斜本质上是一种3D现象，让我们考虑后一种情况，其中电机拓扑结构包括倾斜配置。在图3中，三维有限元仿真结果显示了倾斜电机和非倾斜电机转矩脉动的差异。虽然这种3D方法实现了所需的解决方案的精度，但由于较长的3D模拟时间，它无法满足设计过程所需的快速模拟速度。

获得2D仿真速度与3D精度

为了应对这些挑战，万博Ansys麦克斯韦介绍了一种数学算法，使设计人员能够利用2D FEA速度的优势，同时保持3D FEA模拟的准确性。这似乎具有挑战性，如果不是不可能的话，但随着开发出的新技术来解释倾斜的转子和定子电机配置，这一任务在Ansys 2021 R2版本中变得可以实现，而且更加实用。万博图4显示了在倾斜和非倾斜机器上使用这种新算法的2D模型的转矩脉动，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层算法计算电机的动态性能。虽然2D FEA的速度比3D快得多，Maxwell还提供了一个高性能计算(HPC)解决方案，通过采用并行块矩阵求解方案，将每个片的有限元计算分布到一个消息传递接口(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。

由于电机偏斜方案对转矩脉动有影响，因此必须有一个快速准确的工作流程来评估这对驱动周期中噪声的影响。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，以执行噪声、振动和粗糙度(NVH)分析(图5)。

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除了倾斜增强之外，Maxwell 2021 R2更新还有更多的功能。

例如，为了增强使用永磁体的拓扑结构的热管理，Maxwell现在支持多种温度依赖的退磁特性，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，其中涵盖了提高精度级别的更多实际应用:

• 离散傅里叶变换窗口函数的选项
• 基于任意倾斜切片模型的谐波力计算
• 增加各向异性弹性特性增强磁致伸缩力建模

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