电动机噪声振动和声振粗糙度开发使用低计算成本的系统级模型预测早期噪声振动和声振粗糙度

电动机噪声振动和声振粗糙度开发使用低计算成本的系统级模型预测早期噪声振动和声振粗糙度

电动机噪声振动和声振粗糙度（NVH）开发中，使用低计算成本的系统级模型预测早期噪声振动和声振粗糙度，已成为提升电机品质与用户体验的关键技术路径。该模型通过简化计算流程，在设计初期快速评估电磁力波、结构共振及空气噪声耦合效应，有效缩短开发周期。为确保仿真精度与实际测试数据的一致性，模型需基于高保真实验数据进行训练与验证，并通过计量校准手段对传感器、振动台及声学测试系统进行量值溯源与误差补偿，从而保证预测结果可靠，指导电机结构优化与噪声控制策略制定。

优势

使用计算成本低的系统级模型在动态运行条件下对电驱动装置执行早期噪声、振动和声振粗糙度评估

优化电机控制策略并做出更好的设计选择，以提高电动汽车的噪声、振动和声振粗糙度

使用Simcenter节省时间和成本，同时改善噪声、振动和声振粗糙度性能

摘要

电驱动装置(EDU)通常会因电磁(EM)激励产生多余的噪声，并从逆变器产生高频噪声。Simcenter工程和咨询服务（简称“Simcenter工程服务”）可帮助企业了解造成这些不良噪声成分的潜在因素，并找到从源头上或消声来减轻这些因素的方法。此外，Simcenter工程服务和Simcenter软件是Siemens Xcelerator这一软硬件和服务业务平台的一部分。

由于没有内燃机(ICE)通常产生的掩蔽噪声，因此解决电动汽车(EV)中的电动机（电机）噪声、振动和声振粗糙度(NVH)问题尤为突出。另一项挑战是概念阶段缺乏全面的信息，这会影响关键的设计决策。此外，迫切需要使用极少的可用数据预测NVH性能趋势。另外，还需要精调控制器参数，有效降低电动机噪声。

借助Simcenter电机噪声应用程序和Simcenter振动合成应用程序，Simcenter工程服务可以帮助工程师在开发过程的早期预估电机噪声。工程师可以执行电机和逆变器系统建模，通过Simcenter Amesim软件使用简化的结构模型预测噪声辐射，并捕获系统级组件的NVH响应。此外，Simcenter工程服务提供一种基于模型的方法，利用多物理场电驱动系统级模型系统地开发理想NVH缓解控制策略。

在设计阶段早期评估电动机噪声

Simcenter工程服务专家将基于Simcenter Amesim的后处理工具用于两个主要目的：

1、估算特定工况下电动机和控制电流产生的电磁力。

2、根据电动机参数和简化的点声源模型预测辐射噪声。

假设一个理想化的圆柱形物体，此工具使用物理参数（如电机的宏观几何体）来估计电磁力，随后估算振动和辐射噪声。此过程涉及使用电磁电机模型，该模型考虑了通量、铁损、磁链和逆变器电流等因素。生成的动态电动机模型可预测电磁力，系统对其进行处理以估计电动机的辐射噪声特性。这种方法允许用户比较各种设计选项之间的辐射噪声，从而促进趋势分析和识别潜在问题。这包括电动机和逆变器次级的交互作用，尽管在设计过程早期对电动机的了解有限，只能进行近似计算。

Simcenter Amesim系统模型

Simcenter工程服务使用电机模型构建系统级建模环境，将各种组件互连起来，以创建多物理场因果系统。这包括电动机，它使用EM映射和控制信号产生扭矩，并通过考虑磁链和磁通密度来计算内部EM力。

该流程从复杂的电磁电机模型开始，包括磁通、铁损、磁链和逆变器电流等要素。在适用的情况下，用户可以将此模型简化为同能图，作为构建能够预测电磁力的动态Simcenter Amesim电机模型的基础。接下来，工程师将该模型引入后处理阶段，以估计噪声辐射特性。后处理器预测电机外表面的平均振动水平，同时考虑其电气和物理配置。然后，求解会将这些振动转换为1米处的噪声辐射投影（假设点声源行为和自由场条件）。虽然这种方法涉及某些近似值，但它对于比较两种不同设计选项之间的辐射噪声以及查明潜在问题（例如收敛的电机和逆变器次级）很有价值。这样就可以进行趋势评估和识别问题频率。

电磁概念模型

EM模型主要采用电流密度、机器几何体、电气设计细节（极数、相数、齿数和绕组方案）和材料参数作为输入。其主要输出包括同能图和磁链图，这些图取决于直接轴电流(Id)、正交轴电流(Iq)和电角等参数。

声振模型

工程师可以在简化的结构和声学模型中使用EM模型的通量和力来计算振动和声学响应。这涉及到将简化的结构模型、其材料、通量和力与声学模型的固有频率、振型和振动响应相结合，以声压的形式生成输出。

优化控制策略

Simcenter工程服务专家使用微控制器单元(MCU)Simulink模型将驱动器输入转换为电动机的电流。此模型处理所需的扭矩和电动机角度，以衍生出三相电流作为逆变器的控制信号。之后，工程师可以评估和优化与逆变器或电机模型集成的控制策略，以平衡开关噪声和车辆性能。

Simcenter Amesim噪声应用程序

在Simcenter Amesim中完成仿真后，工程师随后即可启动Simcenter Amesim噪声应用程序界面，方便修改设计。该工具支持一键式评估，简化了声振分析。用户可以分步执行分析，包括强迫响应评估、固有频率识别和噪声绘图，并添加生成频谱图的功能，以全面了解系统的声学行为。

总体而言，Simcenter工程服务可帮助工程师在开发过程的早期评估电动机噪声，从而节省时间和成本，同时改善NVH行为。