了解SIMULIA汽车电力驱动中的磁噪声和振动

介绍

汽车行业向电气化过渡需要全面了解 e-NVH（电噪声、振动和声振粗糙度）以提高车辆性能。本博客介绍了 e-NVH 的定义和含义，研究了磁噪声及其来源，并提出了评估这些元素的分析方法。此外，我们还将介绍海牛，一种用于 e-NVH 分析的实用工具。这一简明的探索将深入了解 e-NVH 的技术方面及其在车辆设计和性能中的重要性。

什么是 e-NVH？

在解决电力驱动中的噪声和振动问题时，必须认识到这些问题可能源于各种激振力。这些力通常分为机械力、空气力和磁力。有必要考虑仿真中的所有三种机制来捕获总噪声。

这SIMULIA （模拟）Portfolio 为每种类型的噪声提供专用工具：

• 机械噪声：Simpack 软件计算齿轮力分布和产生的振动（或与 Wave6 结合使用时的噪声），例如，在变速箱中。

• 空气动力学噪声：PowerFLOW 系列计算流体流动和产生的空气传播噪声（或与 Wave6 结合使用时的结构传播噪声），例如，在风扇中。

• 磁噪声：海牛计算磁力分布以及由此产生的振动和噪声，例如，在电动机中。

重要的是要明白，没有一个通用的解决方案。电力驱动涉及所有三种类型的力。当噪声和振动很重要时，单独评估和管理每个噪声源至关重要，因为一个噪声源可能会掩盖另一个噪声源，从而使整体评估复杂化。例如，专注于降低风扇噪音的客户发现了意外的磁噪声问题，这些问题被风扇噪音掩盖了。

通过使用包括 Manatee 在内的 SIMULIA 软件产品组合，工程师可以全面解决电力驱动中的 e-NVH 挑战，确保最佳性能并最大限度地减少与噪声相关的问题。

什么是磁噪声？

磁噪声在电动动力总成的噪声和振动中起着至关重要的作用。磁激励来自可变的电磁场，电磁场可以由电机本身产生（例如，由于旋转的永磁体）或电机与逆变器之间的相互作用（例如，由于脉宽调制策略）。管理磁噪声以有效实现最佳 NVH 性能至关重要。

电机中的磁噪声可分为两种类型：机器单独产生的噪声和逆变器引起的噪声。

极点/槽噪声

当它由正弦电流供电或在开路模式下运行时，电机会产生极点/开槽噪声。这种类型的噪声是由气隙内磁场的波动引起的。这些波动是由磁极磁动势产生的空间谐波和定子槽的开槽谐波引起的。在同步电机中，磁极/开槽噪声的出现频率是电频率的两倍倍，并且与驱动器的速度成正比。

开关噪声

逆变器会感应出第二种类型的磁噪声，即开关噪声。发生这种情况是因为逆变器在电压波形中增加了时间谐波，从而产生了开关力。开关噪声通常发生在开关频率的倍数处，从而产生独特的声音。例如，这种噪声在用于铁路应用的牵引机中通常非常明显。

Resonance Phenomenon

图：激振力 + 结构模态 = 共振

共振在理解磁力和结构动力学方面起着关键作用。当激振力与代表动力总成机械行为的特定结构模式相互作用时，就会发生这种情况。它可以通过机械模型的线性化获得的一系列结构模式来表征。

当激振力的频率和形状与特定结构模式的频率和形状相匹配时，就会发生共振，从而导致振动和噪声的高度放大。这些共振可能会超过 NVH 要求并产生令人不快的声音。频谱图分析和阶次跟踪等技术可以帮助识别动力总成系统中的共振。

如何分析 e-NVH？

e-NVH，即电磁噪声和振动，是一个复杂的多学科问题，需要对各种物理现象有全面的了解。为了有效解决 e-NVH 问题，多物理场仿真方法至关重要。这个过程从分析逆变器电压开始，以确定产生的电流。这些电流产生磁场，从而产生磁力。然后，这些力会激发结构动力学模型，从而产生振动和随后的声辐射。

由于其多学科性质，分析和控制 e-NVH 需要不同工程学科之间的协作。控制和电磁工程师专注于管理逆变器和电磁场产生的激振力。同时，机械和 NVH 工程师负责了解噪声和振动传递路径。

识别激励源和了解噪声传递机制是解决 e-NVH 问题的关键。工程师必须确定力谐波的物理来源（绕组、开槽、磁极形状、PWM 等），以及噪声是空气传播的还是结构传播的。然后，他们必须探索修改激发源和传递路径的解决方案。这些学科之间的有效协作和沟通导致了在不影响电磁设计的情况下降低 e-NVH 水平的解决方案。

在电磁噪声、振动和声振粗糙度方面出现了用于仿真和控制 e-NVH 的专门技术。这些技术使工程师能够修改激励并抑制特定的激振力，同时最大限度地减少对电磁设计的影响。工程师可以通过使用这些技术成功降低和控制 e-NVH 水平，从而确保最佳性能和用户体验。

什么是Manatee？

Manatee 是 Magnetic Acoustic Noise Analysis Tool for Every Engineer 的首字母缩写词，是一款专门用于磁噪声分析的专用软件。Manatee 由 EOMYS 于十多年前开发，起源于该公司以服务为导向的方法，用于排除和解决电气系统中的噪声和振动问题。最初，EOMYS 创建了解决这些问题的脚本，这些脚本逐渐演变成全面的 Manatee 软件。

Manatee的历史

Manatee 的发展是由 EOMYS 将先进的 e-NVH 技术应用于各种工业案例的丰富经验推动的。他们的实践专业知识显著降低了噪声和振动，一些项目实现了高达 40 分贝的共振降低。该软件已成功应用于各个领域，包括航空航天、汽车、工业机械（如泵和压缩机）、发电机（如风力涡轮发电机）、铁路牵引电机、海军推进、家用电器和医疗设备。

在现代应用中使用电动机会引起人们对磁力引起的噪声和振动的担忧。虽然一些行业（如风力涡轮机）有严格的噪音水平标准，但许多客户都希望寻求更安静的设计，以满足市场需求并保持竞争力。

Manatee 中的多物理场求解器

Manatee 软件拥有一套弱耦合多物理场求解器，用于解决 e-NVH 分析中电、磁、结构和声学现象的复杂相互作用。这些求解器包括：

• 电路模型：根据施加的电压确定电流。

• 磁模型 ： 目前使用 Opera 2D 进行磁场计算。

• 结构动力学模型：分析对磁力的机械响应。

• 声学模型（Acoustic Models）：模拟产生的声辐射。

Manatee 可以用作变速 e-NVH 仿真的独立可执行文件，而无需访问三维经验平台。这种独立功能使工程师可以直接在 Manatee 中执行设计迭代，从而促进电磁和机械团队之间的协作。电气和控制工程师可以迭代磁路尺寸和控制策略，而机械和 NVH 工程师可以改进机械集成以满足 NVH 目标。

此外，Manatee 还提供一系列导入和导出功能来简化工作流程：

• Current Import：允许导入预先计算的非正弦电流分布。

• 磁通量导入：允许从在 Opera 或 CST 中创建的模型导入磁通量数据。

• Structural Mechanics Import：允许从 Abaqus 导入模型基础以进行结构分析。

• 声学耦合：允许导出振动数据以优化 Wave6（正在开发）下的声学计算。

Manatee 认识到，电力驱动噪声不仅仅是磁噪声的问题。该软件提供了导入其他噪声源（如齿轮啸叫）的功能，使工程师能够将整体 NVH 水平与目标进行比较。这种灵活性确保了考虑到多个噪声贡献者的全面分析。

Manatee 的主要输入和输出是什么？

Manatee 的图形用户界面旨在为工程师提供协作环境，支持在各个设计阶段预测和控制磁噪声和振动水平。以下是 Manatee 的主要输入和输出：

输入

Manatee 将控制和磁路几何以及系统级的声学噪声和振动要求链接到同一个 GUI。要使用 Manatee，您必须从现有的电机设计开始。主要输入包括：

• 磁路几何：基于模板化或 CAD 导入 （.DXF 的 S T

• 控制参数：电流与速度的关系，对于同步电机，通常用 Id 和 Iq（直接和正交轴电流）表示。

• 磁性材料特性：机器中使用的磁性材料的特性。

输出

Manatee 提供一系列输出，帮助工程师了解和优化其设计的 NVH 性能：

• 振动水平：机器内特定节点的振动数据或指定表面的平均值。

• 声功率级：设备或指定表面产生的总声功率。

• 声压级：距电力驱动器给定距离处的声压。

• Sound Quality Metrics（声音质量指标）：必要时，评估所产生声音质量的指标。

这些输出可以在不同的级别生成：

• 单工作点：单一速度的频谱分析。

• Variable Speed：显示一定速度范围内噪声和振动特性的频谱图。

• 扭矩/速度平面：NVH 计算可以跨扭矩/速度平面运行，以提供全面的分析。

Manatee 可以访问分析过程中计算的所有中间物理量，从而提供对底层过程的详细见解。

结论

总之，了解 e-NVH 对于推进车辆至关重要。通过识别各种噪声和振动源（机械、空气动力学和磁力），工程师可以采用 Manatee 和 SIMULIA 产品组合等高级工具来有效地分析和缓解这些问题。随着我们进入更安静、更高效的电动动力总成时代，全面的 e-NVH 方法将确保最佳车辆设计，增强驾驶体验，并满足消费者对卓越性能日益增长的需求。