电机振动噪声仿真策略

1 介绍

    经过几十年在调节内燃机噪声方面的经验，对于HEV（混合和电动汽车）的动力总成系统的噪声优化又成为了一种新的挑战而凸显出来。尽管电动汽车在总声压级上明显很安静，但其噪声主要以高频称为为主，这明显影响到车内的乘客及周围社区。而对于传统不重要的声源，比如油泵、空调系统、交流发电机、传动系统不再被内燃机噪声说掩盖，而成为了HEV总噪声的主要贡献源。而电池寿命取决于温度，这样就要求更强大的冷却风扇被使用，从而也产生的一定量的噪声。

    这篇文章主要关注点在电机噪声上。LMS提供必要的3D仿真平台Virtual.Lab可以让工程师在设计阶段来预估和优化电机噪声。电机噪声来自于4个主要部件，第一个是来自于电机的冷却风扇产生的气动噪声；第二个来自于车体面板的振动噪声，而面板的振动是由于电机的安装载荷作用在车体上导致的；第三个噪声是由于轴承力激励起静子和壳体振动产生；最后一个也是较为重要的一个是由于电磁力激励起的结构振动所产生的噪声。而以上所讲述的四种噪声都可以直接采用LMS Virtual.Lab声学模块来进行求解。

    这里展现的这篇文章主要集中在电磁力激励起的结构振动噪声。尽管电机壳体的总表面的振动是由于机械和电磁力共同作用的结果，这里只对如何获取电磁力激励起的噪声的流程进行阐述。这篇文章详细描述了一种如何将电磁力映射到振动噪声仿真模型上及如何获得一个三相永磁同步电机的辐射噪声的仿真流程。这篇文章同时也简短的展示了映射深度（只有面力或更深层的力）及正交异性或各项异性的静子刚度对辐射声功率的影响。

2 3相同步电机辐射声功率

    2.1 电磁力映射

    带有4级的三相永磁同步电机的电磁力仿真计算首先在JSOL公司的JMAG中的电磁力仿真模块中进行。如图1所示，这款软件允许定义轴对称模型的一部分以获取整个电机的特性（扭矩，功率）。图1画出了电机在定子铁心上产生的力。可以看出电磁力在静子与其他介质相接触的表面上具有较高的密度。最大的力应该是在静子与转子之间的气隙中产生。

    图1 JMAG中静子节点电磁力仿真

    在给定的静子网格上的电磁力和一个用于NVH仿真的有限元模型（Nastran bdf格式），JMAG被用来将电磁网格上的力传递到静子结构网格上。JMAG自动的完成其他剩余的270°轴对称的静子结构的力。紧接着的网格映射，软件将自动将力转换为频域范围。图示可以看出静子表面的力较大。为了评估映射深度对计算结果的影响，静子网格的4部分被用来映射载荷，如图2所示。

    图2 不同的映射深度方式

    除了映射深度的影响外，静子铁心的结构参数不确定性也应该值得注意。有一部分是由许多带有绝缘漆（这种漆也同样覆盖绕组）的钢薄片组成。这种复杂的静子模型一般需要采用随频率变化的材料属性及考虑一些非线性效应来进行描述。基于一定假设和获取一个可以用于进行灵敏度分析的仿真模型的目的，本篇文章中，采用线性和不随频率变化的材料属性来描述静子模型。由于是一种属性被用于整个静子铁心，属性刚度矩阵一定包含了它的正交异性/各相异性特征。为了评估这些更改的影响，或者预估的材料属性误差，分别对XY面（钢片面）上的刚度及径向的刚度提升10%。

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