交通運(yùn)輸行業(yè)面臨很多新技術(shù)的挑戰(zhàn)。其中，替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的電動(dòng)動(dòng)力總成雖然使得車輛更加安靜，然而對噪聲和振動(dòng)提出新的挑戰(zhàn)，特別是電機(jī)的設(shè)計(jì)。為了設(shè)計(jì)出性能和聲學(xué)舒適度都符合預(yù)期的高效能動(dòng)力設(shè)備，工程師需要采用新的方法和工具。

一般來說，扭矩是電機(jī)設(shè)計(jì)最主要的目標(biāo)，使得電機(jī)在規(guī)定速度范圍內(nèi)能提供足夠的動(dòng)力。而其他的設(shè)計(jì)， 如效能分析、徑向力分析、結(jié)構(gòu)分析和聲學(xué)分析等緊隨其后。

“聲學(xué)分析應(yīng)該成為這個(gè)流程中的一部分而不應(yīng)該是最后考慮的事情。”Berker Bilgin博士說道。電機(jī)噪聲主要是由于電磁徑向力引起靜子結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生。一旦電機(jī)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，再想降低噪聲會(huì)變得非常困難。

靜子的振型和固有頻率對振動(dòng)輻射噪聲產(chǎn)生影響。但是，不是所有的噪聲都由結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生。強(qiáng)的徑向簡諧力有時(shí)足以引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，成為噪聲的主要來源。另外，靜子或者電機(jī)結(jié)構(gòu)的改變，或者電力控制的變化都對電磁力有影響，因此也會(huì)改變電磁場和聲學(xué)的表現(xiàn)。

所以，Berker Bilgin博士強(qiáng)調(diào)，“一個(gè)有效的電機(jī)開發(fā)流程應(yīng)該包含電磁力的預(yù)測、結(jié)構(gòu)和聲學(xué)的分析。”

圖1 . 電磁力在一個(gè)24/16牽引開關(guān)磁阻電機(jī)

過去，研究所、電機(jī)和軌道交通行業(yè)在馬達(dá)開發(fā)流程中被迫制造很多物理樣機(jī)，既增加了成本，又延長了交貨時(shí)間。另外，由于當(dāng)今的馬達(dá)是高度的非線性，通過解析表達(dá)式預(yù)測徑向力誤差很大根本不可行。特別是對于復(fù)雜的幾何外形和降噪方案更沒有參考價(jià)值。這里展示了一個(gè)在Actran中進(jìn)行噪聲建模的案例。仿真結(jié)果分別顯示在圖2和圖3中。仿真不僅可以減少物理樣機(jī)的使用，而且可以讓研究者在最后物理樣機(jī)測試前能夠進(jìn)行更多擴(kuò)展性的研究分析。

麥克馬斯特工程師使用Actran對電機(jī)在整個(gè)寬頻域和各種轉(zhuǎn)速下進(jìn)行振動(dòng)和聲學(xué)的分析。

從2000-3000rpm到8000-10000rpm，無論什么樣的應(yīng)用場景何種轉(zhuǎn)速，Actran結(jié)果和實(shí)驗(yàn)對照的準(zhǔn)確性都讓Bilgin博士團(tuán)隊(duì)信服。因此他們選用Actran用來分析結(jié)構(gòu)的振型和聲學(xué)的響應(yīng)。

Actran的一個(gè)非常重要的附加值是在設(shè)計(jì)流程中可以識(shí)別出對噪聲貢獻(xiàn)最大的徑向簡諧力，并且可以獲知是否可以在不影響扭矩的情況下得以減小。而且Actran可以處理復(fù)雜的3D幾何外形，可以準(zhǔn)確計(jì)算非常有挑戰(zhàn)性的模態(tài)振型，特別是軸向的振型（見圖4）。

“一旦馬達(dá)的振型和固有頻率確定，我們就可以預(yù)測哪一階徑向力是引起主要噪聲的來源，可以進(jìn)一步回歸到電磁設(shè)計(jì)中減小徑向力。”

馬克馬斯特研究者通過將Actran引入設(shè)計(jì)流程中開發(fā)了電流控制技術(shù)。“我們不用更改馬達(dá)，通過優(yōu)化電流實(shí)際上就可以降低噪聲，因?yàn)閺较蛄εc靜子的激勵(lì)有關(guān)。我們在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了這種方法可以降低開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)噪聲。”Berker Bilgin博士說。

仿真工具的使用極大的減少了物理樣機(jī)的使用，而且也使產(chǎn)品開發(fā)中更多更深入的分析成為可能。仿真的另外一個(gè)附加值得益于Actran的三維仿真能力，對細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬。另外，Actran可視化功能讓學(xué)生們做更加深入的研究。

未來混合動(dòng)力項(xiàng)目組CERC計(jì)劃研究如何在不影響扭矩表現(xiàn)的前提下改變結(jié)構(gòu)模態(tài)、聚焦到關(guān)注馬達(dá)的電流控制或者模擬馬達(dá)的阻尼比進(jìn)而更準(zhǔn)確的預(yù)測和降低電機(jī)的噪聲。

圖6 . 由混合動(dòng)力項(xiàng)目CERC的研究者設(shè)計(jì)的牽引電自行車中的12/16開關(guān)磁阻電機(jī)

混合動(dòng)力項(xiàng)目中的CERC是麥克馬斯特大學(xué)的一個(gè)大概有80人多學(xué)科項(xiàng)目的研究組，大部分是來自軌道交通行業(yè)、電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)交通和航空的合作伙伴。

Berker Bilgin博士管理著這個(gè)開發(fā)高性能開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目組。特別感謝麥克馬斯特大學(xué)Liang Jianbin博士研究生提供本文中的圖片。