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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 碳膜電位器

針對多物流場的NVH分析-開關磁阻電機噪音的仿真與優化

發布日期：2022-04-26 點擊率：74

為滿足日益嚴格的法規要求、順應業界開發環保汽車的趨勢，傳動系統電氣化已成為一項越來越為重要的發展趨勢。要讓技術取得成功，電機和電池領域的創新是必不可少的。因此，各汽車制造商調查了電力驅動的幾種方法，以求找到最符合汽車功能性能要求的方法。這些要求不僅包括燃油經濟性，也包括舒適性及噪音、振動和平順性(NVH)。

目前市場上的幾乎所有混合動力汽車均配備了永磁(PM)同步電機技術。這項技術帶來了眾多的優勢，尤其是當涉及到混合動力時更是如此，混合動車輛空間有限，重量最小化和效率最大化需求強烈。但是，稀土元素的有限供應限制了大力規模部署。

因此，開關磁阻電機(SRM)日益受到有遠見的汽車制造商們的青睞。在這些電機當中，轉子向著定子與轉子磁極間空隙中磁阻最低即電感最高的位置轉動，從而產生旋轉運動。通過連續對定子中的異名極供能，實現連續旋轉。

廉價高功率開關設備的易得性推動了SRM的工業應用。這些電機清楚地展示了自己的優勢，比如構造簡單且堅固、制造成本低廉（無永磁體）、扭矩轉速特性出色，而且在很大的轉速范圍內都能實現最高效率。但是，幾種缺點也阻礙了其在電動汽車領域的應用。這些當中就包括由于扭矩波動當中就包括由于扭矩波動較大而產生的噪音及電磁干擾 (EMI) 噪音。

電機設計領域大多只將重點放在降低扭矩波動來解決SRM的噪音、振動和平順性(NVH)問題。控制策略優化來降低扭矩波動，的確能給噪音輻射帶來有利的影響。但是，為了避免在電動汽車內感受到過度的振動和噪聲，優化電機結構及其外殼同樣也必不可少。在設計流程的早期階段納入詳細的聲振分析，有利于電機設計者更好地了解并控制最終產品的NVH特性。本文中所談到的電機具有八個定子磁極（四對定子磁極）以及六個轉子磁極。這是一款8/6式 SRM，具有四個獨立的相，專為汽車牽引應用而設計，可提供200Nm的峰值扭矩和40kw的峰值功率。此外，該款SRM的設計也專門用于采用無級變速箱(CVT)的全混合傳動系統。

通過仿真優化電機噪音（包括SRM）涉及頗具挑戰性的多物理場建模。SRM中的噪音和振動主要源于定子的結構性激振，是由不斷變化的磁場和相電流引起的。電機外表面的結構變形導致其周圍的空氣流動，從而產生了氣壓變化，形成噪音。要實現精確的仿真，需要將磁學、振動（結構性）和聲學領域加以結合，才能正確捕獲所涉及的全部現象。

第一步是計算定子上的磁力。為此，就要對離散數的轉子角度和相電流值進行二維電磁有限元(FE)仿真。這些力會作為來自應力張量（可直接從解算器獲取）的合力進行計算。得益于結構的軸對稱幾何關系，二維建模可以提供十分理想的近似結果，能顯著地限制計算時間。

為了準確捕捉電機在所需頻率范圍內的動力學特征，我們會創建定子的結構有限元模型，然后與真實結構上的測試結果進行相關性分析和模型修正。定子的結構包含鋼板層合堆疊中，中間夾有樹脂，會呈現出材料非線性。通過在仿真模型和真實結構之間的模態相關性分析，然后再進行有限元模型修正，可定義等效各向異性材料屬性，而無須對定子層合板進行明確建模。

為確保測試結果呈現系統中的全部模態行為，會對初始有限元模型進行預試驗分析。這樣有助于對加速計和激振設備進行目標定位，以實現最全面的模態測試，這對于接下來的相關性分析和有限元模型更新具有非常重要的意義。在這些階段中，仿真模型會得到反復改進，直到其產生的結果充分符合測試結果。對于噪音輻射，橢圓形模態是最重要的模態，其優先級最高。有限元模型會逐步更新，直到這些模態頻率與其測試頻率的差距在5%以內為止。

既然已經計算出電磁力，并提供了準確的結構模型，就需要對這兩者進行映射，以完成受迫響應分析。由于是在頻域中進行聲振仿真，因此第一步是采用離散傅立葉變換，將來自二維電磁有限元軟件的時域節點定子力轉化為頻域。隨后，二維結果會拉伸至三維，并通過守恒映射加載到結構有限元網格上。為提高計算效率，載荷數據將限制保留最為必要的信息。載荷會以階次譜來表達，對應于開關磁阻電機主階次（電機轉速基頻的6階及其諧頻）。

基于模態的受迫響應分析會通過將已更新有限元模型的結構模態與映射電磁載荷相結合，來計算主要SRM階的外殼振動。這些會用作聲學仿真的邊界條件，計算在距SRM1米的目標麥克風位置產生的聲壓級。自動匹配層(AML)技術可仿真自由聲場條件，以實現高效的聲輻射研究。

然后，不同的后處理工具可提供針對電機噪音行為的深入工程見解。當電機階次頻率與結構固有頻率一致，或定子力模式與結構模態振型相匹配時，就會發生高強度的共振。例如，在1400Hz 左右電機第 18 階耦合到結構橢圓型模態，就會產生強振動。所有第 6 階的奇倍數都會發生這種情況。在 8/6 式 SRM 中，每次旋轉都會激活相位六次，導致產生第 6 階諧波及其倍數。基于這一見解，我們可以提議對外殼和冷卻夾套進行設計更改，將結構的固有頻率錯開到低階的激勵頻率范圍之外。

應用流程示例中所描述的這一基于先進仿真的 SRM 輻射（并可引申到任何其他電機）噪音高級優化，可以借助LMS Virtual.LabTM聲學、噪音和振動以及相關性分析軟件來完成。要達到要求苛刻的汽車客戶所期待的高質量標準，電機設計人員必須在設計的早期階段就引入此類輻射分析。只有通過提供將能源效率與避免降低其他性能(例如NVH)相結合的技術，他們才能成功地提供傳動系統電氣化解決方案。