電機NVH是指電機在運行過程中對外表現出的噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness），其主要包括三個來源，即電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲，在這三類噪聲中，電磁噪聲的頻率相對來說處于高頻段，尤其是與驅動器開關頻率相關的電磁噪聲的頻率剛好處于人耳最敏感的噪聲頻率區間，其幅值基本上決定了電機NVH的整體指標，同時相較于其他兩類噪聲，電磁噪聲更容易通過電機電磁和機械結構的優化設計進行有效的抑制，因此電機電磁振動噪聲是我們重點關注的對象。

由于電機NVH問題的相關理論復雜，同時涉及電磁/結構/聲學多學科，是典型的多物理場耦合問題，其仿真分析具有一定難度。4月21日，【Ansys 電機NVH仿真分析流程介紹】網絡研討會即將開播，將介紹如何利用Ansys 2020 R1，在有限元環境下，精確分析電機的振動噪聲：利用Maxwell2D/3D快速仿真電機在多轉速下定/轉子表面的頻域電磁力并無縫鏈接到Workbench平臺Harmonic Response模塊進行多轉速諧響應分析，得到電機的ERP Level Waterfall圖，用于分析電機在各轉速下的諧振情況；同時多轉速諧響應分析結果也可傳遞到Harmonic Acoustics模塊進行Sound Power Level Waterfall的分析，用于進一步對電機噪聲水平進行評估。歡迎報名參加！

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本文將以典型的8極48槽內置式永磁電機為例，詳細介紹在Ansys平臺下電機NVH仿真分析的流程，希望對各位工程師有所幫助。

本文虛構了一臺典型的IPM電機方案，采用8極48槽，V字型磁鋼，單層整距繞組，轉子軸向分4段V型斜極，

Maxwell軟件具有多種參數化建模方法，我們推薦采用軟件內置UDP (User Defined Primitives)或自定義UDP的方式來建模，Maxwell內置了大量UDP模型，涵蓋了各種常規電機的定、轉子、繞組、機殼的模型，調用方法為Draw>User Defined Primitive >RMxprt，UDP模型中的所有幾何尺寸皆可用變量進行定義以實現參數化。

UDP調用方法

IPM永磁電機的轉子結構形式千變萬化，內置UDP庫里面的IPMCore往往無法滿足實際需求，為此我們定制開發了一個IPM轉子UDP模型，該模型支持V、一、雙V、雙一、V一等組合的磁鋼結構，同時支持轉子表面輔助槽，本例采用該UDP繪制轉子鐵心和磁鋼模型。

自定義UDP創建轉子模型

接下來繪制InnerRegion和OuterRegion，利用Split工具分割全模型得到1/8模型，在DesignSettings中設置周期數為8，至此完成完整幾何模型的建立，然后進行材料屬性、磁鋼坐標系、邊界條件、網格剖分的設置，這里不再詳述設置方法，接下來利用“繞組自動設置腳本“快速完成繞組分相、激勵源、初始角度和求解時間的設置，最后得到電機有限元仿真模型。

繞組自動設置腳本

完成了電機仿真模型的建立，接下來進行電磁力計算的準備工作。為了更精確的計算定子齒部集中電磁力，利用布爾運算工具將定子齒部模型單獨取出并進行網格加密，

添加On Selection 剖分設置

查看定子齒部網格，可見On Selection 剖分方式僅對物體邊緣網格進行了加密。

定子齒部網格剖分圖

接著，在Maxwell Design點擊右鍵激活軟件內置的諧波電磁力計算功能，該功能用于計算時域電磁力并轉換到頻域，用于下一節的諧響應分析。

激活諧波力計算功能

在General選項卡中勾選所有齒部模型，在Type處選擇Object Based，本文采用Object Based方式計算集中電磁力，另外軟件還支持Element Based（Surface）方式計算結點電磁力，兩種方法計算的都是物體表面或者邊緣的麥克斯韋電磁力，在2019R3版本以后，軟件新加入了Element Based（Volumetric）體積力計算功能，可用于分析變壓器或電機因磁致伸縮力、洛倫茲力導致的振動噪聲。

選擇Object Based

本例中轉子雖然采用了分段斜極，但是對于任意轉子分段，其沿軸向方向幾何模型是相同的，同時齒部結構簡單，可采用Object Based方式計算集中電磁力。

我們利用Workbench中的Harmonic Response模塊在頻域下對電機的進行多轉速諧響應分析，獲得多轉速下的ERP Level瀑布圖。首先導入Maxwell design并在DefaultDesignXplorerSetup設置轉速的參數化掃描

設置DefaultDesignXplorerSetup

設置DefaultDesignXplorerSetup

然后從左側工具欄拖入Harmonic Response模塊并導入電機三維幾何模型

定子三維模型

Harmonic Response模塊允許導入多組電磁力數據，將三個Maxwell design的solution標簽拖到.Harmonic Response模塊的setup標簽，即可實現電磁力的傳遞。

加入諧響應模塊

在諧響應分析界面中，設置適當的網格以及機殼和鐵心的材料屬性。在實際工程中，電機的定子鐵心由沖片疊壓而成，應采用各項異性的材料屬性，各向異性的材料屬性可利定子用自由模態實驗數據擬合得到。

設置網格

為了便于將電磁力施加到定子齒部，可對各段定子齒尖表面創建Named Selection。

三組定子齒頂表面Named Selection

接下來選中每個轉子分段對應的Imported Remote Loads，利用Named Selection將電磁力在和施加在該轉子分段對應的定子齒面上，Remote Pointss選擇Global Available，Number of Frequencies to Consider處填入掃頻分析的頻率點數。最后右鍵導入電磁力載荷。

導入電磁力設置

如下圖所示，軟件自動導入了各轉速對應的齒部電磁力載荷，同時自動完成了Analysis Setting的設置。

電機在實際工作中會采用法蘭或底腳固定，本例對機殼底角面添加Fixed Support約束條件。

添加Fixed Support約束條件

在Solution處插入ERP Level Waterfall Diagram

插入ERP Level Waterfall Diagram

在諧響應Analysis Settings的屬性界面，將求解方式設置為Mode Superposition模態疊加法，軟件先自動進行模態分析，然后基于模態分析結果利用模態疊加法進行諧響應分析，雖然這種算法會忽略結構非線性，但由于電機振動屬于小變形問題，非線性并不明顯，這種算法在保證精度的同時可節省大量計算時間。

采用模態疊加法

以上我們完成了多轉速諧響應分析的全部設置，在Solution處點擊右鍵選擇Solve進行分析，分析結束后查看ERP Level Waterfall Diagram等效輻射功率等級瀑布圖

查看ERPL瀑布圖

我們可以進一步在Harmonic Acoustics模塊中導入諧響應分析得到的ERP載荷來分析空間中的噪聲分布。噪聲分析需要對應的求解域，一般為球狀或半球狀空氣包，為了演示方便這里采用圓環狀求解域，重點分析電機側面的噪聲分布，這也是徑向電磁力產生噪聲的主要傳播途徑。

創建空氣域模型

回到Workbench界面，從左側工具欄拖入Harmonic Acoustics模塊，并如圖進行鏈接，在Harmonic Acoustics模塊的Geometry處導入空氣域模型。

加入Harmonic Acoustics模塊

修改求解域材料屬性為Air。

設置空氣域材料

在Imported Load 處導入載荷并同步分析設置。

導入噪聲分析載荷

選中空氣域外側面添加Radiation Boundary。

添加Radiation Boundary

在Solution處插入Far-field Sound Power Level Waterfall Diagram，然后右鍵點擊Solve開始求解。

添加Far-field Sound Power Level Waterfall Diagram分析設置

計算結束后查看多轉速噪聲分析結果

查看多轉速噪聲分析結果

插入Acoustics下的A-Weighted Sound Pressure Level，查看3500rpm@2800Hz的A計權聲壓級分布

3500rpm@2800Hz的A計權聲壓級分布

插入Frequency response下的A-Weighted Sound Pressure Level，查看3500rpm噪聲頻譜。

3500rpm噪聲頻譜

   

本文以典型案例介紹了基于Ansys平臺的電機NVH分析流程，本流程主要關注電機定子所受麥克斯韋電磁力導致的機殼諧振所產生的表面輻射功率對電機振動噪聲的貢獻，這也是傳統電機NVH分析理論所重點討論的內容，當然，從機殼輻射出的振動噪聲只是電機NVH的其中一條路徑，對于帶有減速器的動力系統來說，電機紋波轉矩導致的軸系共振也不能忽視，但是嚴格來說這不單純是電機本體的NVH問題，同時紋波轉矩也比較容易通過斜極斜槽、磁極修型、主動注入電流諧波等措施得到改善，其優化難度相對徑向電磁力來說并不大，在以后的文章中我們再來關注這一部分內容。另外，因條件有限，本文忽略了一些電機NVH仿真中的實際因素，比如端蓋和繞組模型的等效、定子鐵心裝配預應力、鐵心各項異性的材料屬性以及結構阻尼等等，這些因素都會不同程度上影響NVH分析的結果，需要各位工程師在實際工程項目中，結合相關理論和實驗測試結果進行深入的探索。

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