噪声计算如何又快又准？教你NVH传函法驱动电机噪声软件开发及验证

导读：传函法驱动的电机噪声计算原理是将电机系统视为线性系统，通过建立电机的电磁和机械数学模型，确定如电磁力、机械不平衡力等激励源，计算从激励源到噪声输出的传递函数，再经数学运算得出噪声；其软件开发场景包括电机设计阶段的软件集成、电机性能评估软件以及多物理场耦合分析软件等；而软件开发的价值在于提高设计效率，无需大量物理样机试验即可缩短设计周期、降低成本，还能优化电机性能，以准确预测噪声助力针对性优化，提升品质和竞争力，同时可用于故障诊断与预测维护，以噪声变化发现故障隐患，此外还能推动技术创新，为传函法研究改进提供平台，满足环保和节能要求 。

3月19日20时，工程师职场仿真应用技术报告会第一期将邀请融声奇科技技术总监——张吉健老师做《传函法驱动的电机噪声计算原理与软件开发》线上公开课，欢迎大家提前报名和分享。

一、传递函数的基本概念知多少

1、什么是传递函数？

在一个系统中施加输入激励，就会产生输出响应，输出响应与输入激励的比值，称为传递函数。

式中，H(w)为传递函数，X(w)、Y(w)分别为输入和输出函数。

传递函数主要特性：

（1）传递函数表征的是机械系统在外部激励（振动、噪声）条件下产生响应的程度；

（2）对一个线性系统来说，传递函数与输入和输出没有关系；

（3）但是对一个非线性系统，传递函数不仅与系统有关，还与输入和输出有关；

（4）在工程上，可以把电机或者电驱总成近似看成一个线性系统，即从这层意义讲，传递函数反应了电机或者电驱总成系统的特征。

2、振动或噪声传递函数的基本原理

振动或噪声传递函数的基本原理如下图所示：

（1）单点激励的模型

（2）多点激励的模型

二、基于传函法计算电机噪声的算法

1、电机噪声的产生机理

电机电磁噪声的基本产生机理和过程如下图所示，即电机在定子输入电流与磁场相互作用产生的高频电磁力作用于定子铁心内表面，这些力在相应的频率范围内激励定子铁芯和壳体，从而产生机械振动和噪声。在特定频率的电磁激励力作用下，定子铁轭和壳体的表面也会产生与激励力频率相对应的振动位移，周围介质（空气）也被激发振动，并对外辐射噪声。

电机电磁噪声的产生及辐射

电机噪声数值计算方法流程

2、基于传函法的电机噪声计算流程

根据传递函数的基本原理，电机电磁噪声的计算过程也可以采用下面流程图的方式表达，即电机电磁噪声响应即为电机电磁激励源与传递函数乘积的形式。

计算流程如下：

（1）定义电机可能存在的空间阶次的单位载荷；

（2）定子齿面所有节点的载荷；

（3）计算单位空间载荷力下的传递函数；

（4）计算电机实际的电磁力；

（5）基于实际的电磁力×传递函数=真实的电机噪声响应，在电机外表面节点的振动响应计算过程为：若实际电磁力的同一个时间阶次包含多个空间阶次，则将每个节点在多个空间阶次电磁力作用下的振动结果进行矢量叠加，矢量叠加即为每个响应点的每个方向分别进行叠加；

（6）电机噪声计算：根据电机外表面的振动结果计算等效声辐射功率，并进行相应的后处理，得到声功率级。

（1）对于斜极的传函计算处理方法

不同斜极分段的电磁力分布进行单位激励的传函计算，然后利用传函的叠加属性，对不同斜极分段在实际电磁力作用下的振动响应分别计算后进行矢量叠加。

（2）同一时间阶次包含多个空间阶次的传函计算方法

不同空间阶次的传函分别进行计算，然后利用传函的叠加属性，对不同空间阶次在实际电磁力作用下的振动响应分别计算后进行矢量叠加。

（3）径向力和切向力的振动合成方法

径向力和切向力的传函分别进行计算，然后利用传函的叠加属性，对径向力和切向力在实际电磁力作用下的振动响应分别计算后进行矢量叠加。

三、电机噪声快速计算软件开发及结果对标

1、软件开发功能及界面介绍

（1）软件传函计算界面

软件本界面需要添加有限元求解器路径、电机有限元模型路径、工况和模态参数等，然后添加需要进行计算的单位空间阶次载荷力，如空间阶次0，时间阶次24、48、96等，以及斜极段数等。模型设置好提交计算，即可完成电机在不同单位空间载荷力作用下的各斜极段的电机振动或噪声传递函数。

（2）软件电磁噪声计算界面

软件本界面需要添加工作目录、传函路径等路径设置，然后设置电磁力转速参数、斜极段数、磁密文件路径等。模型设置好提交计算，即可完成电机在真实载荷力作用下的电机电磁噪声结果。

（3）软件噪声计算结果后处理界面

软件本界面可以对电磁力进行后处理、同时也支持对噪声传递函数和电磁噪声计算结果进行后处理，获得不同状态下的噪声频谱曲线，比如声压级曲线、声功率曲线等。

2、噪声计算结果与有限元软件结果对标

由于基于传函法的电机噪声快速计算软件是基于Ansys Workbench软件平台开发，因此这里将基于传函法得到的电机噪声计算结果与Ansys workbench的计算结果进行对比，如下图所示，全频段范围的最大误差不超过1dB，峰值点幅值几乎完全吻合。可以看出，采用传函法的噪声快速计算软件计算结果精度非常高，可以获得与有限元软件完全一致的计算精度。

四、传函法驱动的电机噪声计算公开课

我们依托大量电机 NVH 项目的工程实践经验，成功开发出基于传递函数法的电机电磁噪声快速计算软件。此软件由我司在国内率先发布并推向市场，其主要优势如下：

1、高效精准计算，大幅提升开发效率

在电机 NVH 正向开发的实际场景中，若电机结构基本保持不变，仅电磁方案有所调整，即仅电磁力发生改变，而结构传递函数维持恒定。此时，借助基于传递函数法的噪声快速计算软件，以新的电磁力乘以原有电机结构的传递函数，就能迅速得出新电磁方案下的电磁噪声。整个计算过程仅需几十秒到几分钟，可省去 NVH 计算中最为耗时的结构振动和噪声计算环节，显著提高计算效率。同时，该软件能达到与传统有限元计算方法相当的精度，真正实现了电机噪声计算的又快又准。

2、构建传函数据库，助力科学设计筛选

本软件便于创建电机噪声传递函数数据库。针对公司不同的电机开发平台或不同功率等级的电机结构模型，可建立相应的噪声传递函数数据库。在开发新电机产品时，利用已有的电机传递函数数据库，能够快速预测电机的噪声水平。此外，还可依据某一电磁设计方案，匹配出噪声水平最优的电机结构模型，为后续低噪声电机的结构设计与筛选提供科学依据。

3月19日20时，笔者受邀在工程师职场仿真应用技术报告会做《传函法驱动的电机噪声计算原理与软件开发》线上公开课，欢迎大家提前报名和分享。以下是具体安排：

工程师职场仿真（一） ：传函法驱动的电机噪声计算原理与软件开发-仿真秀直播

来源：仿真秀App