白 皮 书 | Ansys电机NVH仿真解决方案
仿真电机的噪声、振动和声振粗糙度(NVH)对于合理的电动汽车电磁、振动声学设计至关重要。本白 皮 书介绍了如何利用Ansys解决方案在设计阶段尽早地、准确地对电机NVH进行分析，以提升车辆NVH表现与安全。这些解决方案可降低企业研发成本，支持电动化交通战略的实施。Ansys解决方案助力汽车制造商降低电动汽车NVH，提高客户满意度，从而赢得行业竞争优势。
为什么需要NVH分析
交通电气化正在塑造动力系统和现代推进装置的未来。电气化能带来显著的经济和环境效益，因此，电动汽车正在世界各地被普及。过去五年，美国道路上行驶的电动汽车的数量翻了两番，由此可见一斑。相较于传统内燃机汽车，电动汽车除了可以减少碳排放和降低运营成本，也更加安静。但是对于设计电动汽车的工程师来说，驱动电机发出的电磁噪声是一大问题。不同电机转速下产生的 NVH令人不快，乘坐电动汽车的乘客往往会感受到噪声和振动，带来乘车疲倦和不适感。电机是动力系统的主要组成部分，而电机优化设计是降低总体NVH、确保汽车动力系统正常运行的关键。使用Ansys Maxwell进行电机仿真，不仅可以节省时间，还能减少原型样机的数量，推动创新。通过Ansys Mechanical仿真，则能预测作为电驱动系统总体噪声的主要来源之一的由电磁力引起的电机振动和噪声。Maxwell和Mechanical的仿真结果，为实现听觉感知测量和车辆NVH表现评估提供了重要数据。这些结果，可在Ansys VRXPERIENCESound中被用于合成以及评估人类对电机噪声的听觉感知。通过将Maxwell、Mechanical和VRXPERIENCE Sound三者结合开展多物理场分析，可以获得电机的声音文件，准确再现电机在不同速度下产生的声音。Ansys NVH解决方案
针对NVH的Ansys多物理场分析包括四个部分。首先，通过电机的电磁仿真，确定与电机性能有关的径向力、切向力和轴向力。然后，结构仿真将力耦合到电机外壳中。再次，生成辐射振动噪声结果。最后，将声学结果转化成声音文件还原。该多物理场方法，从总体上反映了电机的电磁、结构和声学性能。为电机建立了完整的声学模型后，电气和机械工程师就可以修改设计，在满足电磁性能要求的同时降低NVH。该多物理场解决方案，包括了电机本体产生的电磁力、结构振动和谐响应以及辐射振动噪声。解决方案整合了电磁、结构和声学工程，助力工程师全面优化电动汽车的NVH表现。电机最重要的NVH现象是电磁力产生的啸叫噪声。使用Ansys Maxwell可计算出电机单个转速和多个转速下的电磁力，电磁力的计算结果可以传递到Ansys Mechanical，从而仿真电机模态和谐响应情况。这为空气声传播和ERP的建模提供了途径，并展示了结构因素在动力系统声音中的作用。声学仿真输出的是噪声的频谱响应，可在Ansys VRXPERIENCE Sound中生成声音的瀑布图，通过分析和聆听声音来了解电机的声学特征。电机电磁噪声仿真结合了电磁分析和机械分析两者的分析结果。循序渐进的NVH分析步骤，可以提供准确的电磁激励声学噪声，从声学角度评估电机的总体性能。此外，工程师还可以通过添加寄生空气噪声和机械噪声，开展综合全面的声学分析。这样的多物理场解决方案，在整个研发电动传动系统的过程中都能发挥重要作用。AnsysMaxwell-优化NVH的关键
Ansys Maxwell让工程师能够创建并测试各类电机的数字化原型。一般来说，电机的几何结构十分复杂，但通过Ansys Maxwell进行电机设计却很容易。借助Maxwell中提供的基于模板的设计功能，整个电机设计可以自动完成。于是，工程师只需输入典型电机参数，如相数、极数、槽数、线圈节距、材料参数等，Maxwell就可以自动生成电机模型。在Maxwell中，工程师可以仿真各种工况下（包括不同的速度、电流、功率、扭矩等）的电机特性，并计算电机运行过程中的电磁力。计算电机电磁力是结构分析和声学分析的重要步骤，也是预测NVH的第一步。Maxwell可以计算基于物体的或基于单元的电磁力，支持对电机在理想装配和偏心装配下电磁力的精确计算。计算过程中，电机定子齿部上的电磁力，以及由于高频开关或故障状况下产生的杂散力，都可以准确建模。Maxwell还可以对故障状况进行准确地分析，例如不同类型的偏心率造成的电机不平衡磁拉力。此外，时域内多种电机速度条件下的径向力、切向力、轴向力和力矩都可以被计算，并通过傅里叶变换转换到频域。值得注意的是，为了提高仿真效率、尽量缩短仿真时间并减少计算资源，在Maxwell中可自动生成最小的仿真模型。在分析中，使用其对称拓扑可以获得各种速度下完整模型的电磁力和磁场分布，然后，就可以根据模板自动生成电机外壳。此外，工程师还可以将电机模型和外壳模型直接导入Ansys Maxwell。先进的后处理功能可以生成电机内部的磁力线，以及磁场强度的矢量图或云图。工程师能够对磁场数据进行交互式处理，全面展现电机内部的电磁特征和各种力。AnsysMechanical中电机和外壳的结构谐响应分析
通过Ansys多物理场分析平台Workbench，电磁力可以传递到Mechanical中，作为Mechanical的输入，用于分析系统的结构动态响应。基于物体的电磁力映射方法（见图4），可用于每个齿部都独立建模的模型。这种方法适用于二维电磁场与三维结构场的耦合。基于物体的电磁力映射方法不需要力密度分布的映射，从而可以显著节省仿真时间。但对于一些电机，例如定子和转子斜槽的电机、转子偏心的电机、横向磁通电机或轴向磁通电机等，使用基于物体的映射方法未必能准确捕获3D效应。对于这些类型的电机，可以使用Mechanical中独特的、基于单元的力映射方法，准确地对这些力的3D效应进行仿真。用户可以根据电机的3D结构特点，灵活地选择两种电磁力映射方法。在Mechanical中，需要分析电机的模态和自由振动，并确定电机的谐振点等。在谐响应分析中，也可使用电磁力来计算振幅。Mechanical中的声学响应
在声学、疲劳和优化分析中，结构振动被用于计算等效辐射功率(ERP)和声压水平。ERP计算用来估算结构噪声，声学响应是以声压级(SPL)表征其空气声传播性能。表面振动通常会造成空气中的声压水平发生改变，ERP可根据表面速度，给出辐射噪声的结构近似值。完整声学仿真可得到表示声压级的准确结果，以及反映方向性和单个麦克风响应的远场结果。Mechanical输出的声学结果可以反映出不同频率和转速(rpm)下的ERP。声学体验-在Ansys VRXPERIENCE中聆听电机
从Mechanical中取得的声学仿真数据可在VRXPERIENCE Sound里生成电机噪声。VRXPERIENCE Sound是一种用于声音设计、合成和测量听觉感知的高级仿真工具。通过将声学仿真数据导入到VRXPERIENCE，并把计算出的ERP转换成可聆听的声波文件格式，使用者可以听到电机在各转速下发出的声音。通过聆听电机，工程师可以分离声音的子分量，并研究人类的听觉感受。频谱数据代表不同转速值下的频率点和分贝值，VRXPERIENCE Sound的声音合成考虑到了转速的线性上升，在特定转速值之间使用线性插值，从而实现特定频谱数据间的平滑过渡。同时，也生成了频谱数据所对应的时域图，如图12所示。在图12的基础上，一键点击就能生成瀑布图，如图13所示。工程师只需在VRXPERIENCESound中播放合成后的音频文件，就能听到还原后的电机噪声。然后，基于不同的指标如响度、锐度、粗糙度和波动强度，就可以对声音品质进行定量描述，并将这些指标在VRXPERIENCE Sound中进行分析。该解决方案还可以对音频进行心理声学解释，有效地描述用户的聆听体验，这也是VRXPERIENCE Sound的一项关键特性。理解声音感知及其对人类产生的生理和情绪作用有助于判断声音质量，优化电动汽车的NVH表现。VRXPERIENCE Sound中电机声学响应的声音合成功能，便于用户权衡可接受的声音阈值，并根据心理声学的标准创建质量指标。电机的声音及其瀑布图的图像形式，方便让用户在瀑布图上定位、发现并分离可改进的频率元素。此外，用户也可以在瀑布图上删除需要剔除的频率元素，然后聆听优化后的声音版本，根据所需达到的优化效果来确定结果。该项功能，对电气工程师进行电机功能设计、降低车辆的整体NVH具有重要意义。通过优化设计实现NVH降低
通过改变相关系统的一系列设计，可以达到优化电机声学性能的目的。电机的振动声学性能与电磁力和机械特性有关，而电磁力的大小与气隙磁密、极数、定子槽数、绕组类型以及运行工况等因素有关。所有这些因素都可以使用Maxwell进行分析。通过对设计参数进行大规模参数化扫描，可以筛选出扭矩最大、转矩脉动最小的电机。在选定电机的类型和拓扑结构后，通过调整磁路模型、电磁场模型和结构模型的参数，就能进行系统优化。最优修改可能取决于电机类型，例如，是永磁电机（内置式还是表贴式）、开关磁阻电机还是感应电机。辐射噪声主要取决于结构外壳、散热翅片布局、偏心率或开关电流滤波。定义控制电路、电磁场模型或结构模型的相关参数，都可以通过内置的设计和优化流程进行调整，从而改进电机性能，最大程度降低NVH。利用AnsysVRXPERIENCE，工程师可以直接研究声学响应，获取到重要的聆听和体验噪声反馈信息。此外，该工具还能量化噪声的感知值，方便用户调节不同频率时聆听噪声。这样，能发现设计探索中所做的修改如何影响噪声感知。之后，就能根据电机运行的整体分贝和听觉质量，放心选择出最合适的模型设计。以永磁(PM)电机设计中使用和不使用定子槽楔情况下的NVH研究为例，原始设计（无槽楔）和修改后设计（有槽楔）的声学模型可以用VRXPERIENCESound合成。图14中上图和下图是两种设计各自对应的瀑布图。图15展示了进一步的心理声学分析，可以比较两种设计间的响度。图14显示了原始设计（上图）存在约500Hz的谐振，引发主色调的显著增强。在15图中，当主要音调接近500Hz的瞬时（大约2秒、4秒和10秒），响度大幅增加。相反，修改后的设计谐振范围上移到1500-2000Hz，远高于主要音调的范围。因此图15中对应的响度要更加稳定，说明修改后的设计能提供更优异的听觉质量。结论
本白 皮 书介绍了Ansys多物理场解决方案在降低电机NVH实践中的应用价值。Ansys集成化的多物理场仿真平台能为理解噪声源、传播路径以及声音感知提供端到端的完整解决方案，帮助工程师对电机定子、转子和外壳的相关参数进行研究，并评估电动汽车的电气、机械和声学性能。Ansys先进解决方案，助力工程师成功诊断并优化电机的声学特征。
