仿真電機的噪聲、振動和聲振粗糙度(NVH)對于合理的電動汽車電磁、振動聲學設計至關重要。本白皮書介紹了如何利用Ansys解決方案在設計階段盡早地、準確地對電機NVH進行分析，以提升車輛NVH表現與安全。這些解決方案可降低企業研發成本，支持電動化交通戰略的實施。Ansys解決方案助力汽車制造商降低電動汽車NVH，提高客戶滿意度，從而贏得行業競爭優勢。

為什么需要NVH分析

交通電氣化正在塑造動力系統和現代推進裝置的未來。電氣化能帶來顯著的經濟和環境效益，因此，電動汽車正在世界各地被普及。過去五年，美國道路上行駛的電動汽車的數量翻了兩番，由此可見一斑。

相較于傳統內燃機汽車，電動汽車除了可以減少碳排放和降低運營成本，也更加安靜。但是對于設計電動汽車的工程師來說，驅動電機發出的電磁噪聲是一大問題。不同電機轉速下產生的 NVH令人不快，乘坐電動汽車的乘客往往會感受到噪聲和振動，帶來乘車疲倦和不適感。

電機是動力系統的主要組成部分，而電機優化設計是降低總體NVH、確保汽車動力系統正常運行的關鍵。使用Ansys Maxwell進行電機仿真，不僅可以節省時間，還能減少原型樣機的數量，推動創新。通過Ansys Mechanical仿真，則能預測作為電驅動系統總體噪聲的主要來源之一的由電磁力引起的電機振動和噪聲。Maxwell和Mechanical的仿真結果，為實現聽覺感知測量和車輛NVH表現評估提供了重要數據。這些結果，可在Ansys VRXPERIENCE Sound中被用于合成以及評估人類對電機噪聲的聽覺感知。通過將Maxwell、Mechanical和VRXPERIENCE Sound三者結合開展多物理場分析，可以獲得電機的聲音文件，準確再現電機在不同速度下產生的聲音。

Ansys NVH解決方案

針對NVH的Ansys多物理場分析包括四個部分。首先，通過電機的電磁仿真，確定與電機性能有關的徑向力、切向力和軸向力。然后，結構仿真將力耦合到電機外殼中。再次，生成輻射振動噪聲結果。最后，將聲學結果轉化成聲音文件還原。該多物理場方法，從總體上反映了電機的電磁、結構和聲學性能。為電機建立了完整的聲學模型后，電氣和機械工程師就可以修改設計，在滿足電磁性能要求的同時降低NVH。

該多物理場解決方案，包括了電機本體產生的電磁力、結構振動和諧響應以及輻射振動噪聲。解決方案整合了電磁、結構和聲學工程，助力工程師全面優化電動汽車的NVH表現。

電機最重要的NVH現象是電磁力產生的嘯叫噪聲。使用Ansys Maxwell可計算出電機單個轉速和多個轉速下的電磁力，電磁力的計算結果可以傳遞到Ansys Mechanical，從而仿真電機模態和諧響應情況。這為空氣聲傳播和ERP的建模提供了途徑，并展示了結構因素在動力系統聲音中的作用。聲學仿真輸出的是噪聲的頻譜響應，可在Ansys VRXPERIENCE Sound中生成聲音的瀑布圖，通過分析和聆聽聲音來了解電機的聲學特征。

電機電磁噪聲仿真結合了電磁分析和機械分析兩者的分析結果。循序漸進的NVH分析步驟，可以提供準確的電磁激勵聲學噪聲，從聲學角度評估電機的總體性能。此外，工程師還可以通過添加寄生空氣噪聲和機械噪聲，開展綜合全面的聲學分析。這樣的多物理場解決方案，在整個研發電動傳動系統的過程中都能發揮重要作用。

Ansys Maxwell-優化NVH的關鍵

Ansys Maxwell讓工程師能夠創建并測試各類電機的數字化原型。一般來說，電機的幾何結構十分復雜，但通過Ansys Maxwell進行電機設計卻很容易。借助Maxwell中提供的基于模板的設計功能，整個電機設計可以自動完成。于是，工程師只需輸入典型電機參數，如相數、極數、槽數、線圈節距、材料參數等，Maxwell就可以自動生成電機模型。在Maxwell中，工程師可以仿真各種工況下（包括不同的速度、電流、功率、扭矩等）的電機特性，并計算電機運行過程中的電磁力。計算電機電磁力是結構分析和聲學分析的重要步驟，也是預測NVH的第一步。

Maxwell可以計算基于物體的或基于單元的電磁力，支持對電機在理想裝配和偏心裝配下電磁力的精確計算。計算過程中，電機定子齒部上的電磁力，以及由于高頻開關或故障狀況下產生的雜散力，都可以準確建模。Maxwell還可以對故障狀況進行準確地分析，例如不同類型的偏心率造成的電機不平衡磁拉力。此外，時域內多種電機速度條件下的徑向力、切向力、軸向力和力矩都可以被計算，并通過傅里葉變換轉換到頻域。

值得注意的是，為了提高仿真效率、盡量縮短仿真時間并減少計算資源，在Maxwell中可自動生成最小的仿真模型。在分析中，使用其對稱拓撲可以獲得各種速度下完整模型的電磁力和磁場分布，然后，就可以根據模板自動生成電機外殼。此外，工程師還可以將電機模型和外殼模型直接導入Ansys Maxwell。

先進的后處理功能可以生成電機內部的磁力線，以及磁場強度的矢量圖或云圖。工程師能夠對磁場數據進行交互式處理，全面展現電機內部的電磁特征和各種力。

Ansys Mechanical中電機和外殼的結構諧響應分析

通過Ansys多物理場分析平臺Workbench，電磁力可以傳遞到Mechanical中，作為Mechanical的輸入，用于分析系統的結構動態響應。基于物體的電磁力映射方法（見圖4），可用于每個齒部都獨立建模的模型。這種方法適用于二維電磁場與三維結構場的耦合。

基于物體的電磁力映射方法不需要力密度分布的映射，從而可以顯著節省仿真時間。但對于一些電機，例如定子和轉子斜槽的電機、轉子偏心的電機、橫向磁通電機或軸向磁通電機等，使用基于物體的映射方法未必能準確捕獲3D效應。對于這些類型的電機，可以使用Mechanical中獨特的、基于單元的力映射方法，準確地對這些力的3D效應進行仿真。用戶可以根據電機的3D結構特點，靈活地選擇兩種電磁力映射方法。在Mechanical中，需要分析電機的模態和自由振動，并確定電機的諧振點等。在諧響應分析中，也可使用電磁力來計算振幅。

Mechanical中的聲學響應

在聲學、疲勞和優化分析中，結構振動被用于計算等效輻射功率(ERP)和聲壓水平。ERP計算用來估算結構噪聲，聲學響應是以聲壓級(SPL)表征其空氣聲傳播性能。表面振動通常會造成空氣中的聲壓水平發生改變，ERP可根據表面速度，給出輻射噪聲的結構近似值。完整聲學仿真可得到表示聲壓級的準確結果，以及反映方向性和單個麥克風響應的遠場結果。Mechanical輸出的聲學結果可以反映出不同頻率和轉速(rpm)下的ERP。

聲學體驗-在Ansys VRXPERIENCE中聆聽電機

從Mechanical中取得的聲學仿真數據可在VRXPERIENCE Sound里生成電機噪聲。VRXPERIENCE Sound是一種用于聲音設計、合成和測量聽覺感知的高級仿真工具。通過將聲學仿真數據導入到VRXPERIENCE，并把計算出的ERP轉換成可聆聽的聲波文件格式，使用者可以聽到電機在各轉速下發出的聲音。通過聆聽電機，工程師可以分離聲音的子分量，并研究人類的聽覺感受。頻譜數據代表不同轉速值下的頻率點和分貝值，VRXPERIENCE Sound的聲音合成考慮到了轉速的線性上升，在特定轉速值之間使用線性插值，從而實現特定頻譜數據間的平滑過渡。同時，也生成了頻譜數據所對應的時域圖，如圖12所示。在圖12的基礎上，一鍵點擊就能生成瀑布圖，如圖13所示。

工程師只需在VRXPERIENCE Sound中播放合成后的音頻文件，就能聽到還原后的電機噪聲。然后，基于不同的指標如響度、銳度、粗糙度和波動強度，就可以對聲音品質進行定量描述，并將這些指標在VRXPERIENCE Sound中進行分析。該解決方案還可以對音頻進行心理聲學解釋，有效地描述用戶的聆聽體驗，這也是VRXPERIENCE Sound的一項關鍵特性。理解聲音感知及其對人類產生的生理和情緒作用有助于判斷聲音質量，優化電動汽車的NVH表現。VRXPERIENCE Sound中電機聲學響應的聲音合成功能，便于用戶權衡可接受的聲音閾值，并根據心理聲學的標準創建質量指標。電機的聲音及其瀑布圖的圖像形式，方便讓用戶在瀑布圖上定位、發現并分離可改進的頻率元素。此外，用戶也可以在瀑布圖上刪除需要剔除的頻率元素，然后聆聽優化后的聲音版本，根據所需達到的優化效果來確定結果。該項功能，對電氣工程師進行電機功能設計、降低車輛的整體NVH具有重要意義。

通過優化設計實現NVH降低

通過改變相關系統的一系列設計，可以達到優化電機聲學性能的目的。電機的振動聲學性能與電磁力和機械特性有關，而電磁力的大小與氣隙磁密、極數、定子槽數、繞組類型以及運行工況等因素有關。所有這些因素都可以使用Maxwell進行分析。通過對設計參數進行大規模參數化掃描，可以篩選出扭矩最大、轉矩脈動最小的電機。

在選定電機的類型和拓撲結構后，通過調整磁路模型、電磁場模型和結構模型的參數，就能進行系統優化。最優修改可能取決于電機類型，例如，是永磁電機（內置式還是表貼式）、開關磁阻電機還是感應電機。輻射噪聲主要取決于結構外殼、散熱翅片布局、偏心率或開關電流濾波。定義控制電路、電磁場模型或結構模型的相關參數，都可以通過內置的設計和優化流程進行調整，從而改進電機性能，最大程度降低NVH。

利用Ansys VRXPERIENCE，工程師可以直接研究聲學響應，獲取到重要的聆聽和體驗噪聲反饋信息。此外，該工具還能量化噪聲的感知值，方便用戶調節不同頻率時聆聽噪聲。這樣，能發現設計探索中所做的修改如何影響噪聲感知。之后，就能根據電機運行的整體分貝和聽覺質量，放心選擇出最合適的模型設計。

以永磁(PM)電機設計中使用和不使用定子槽楔情況下的NVH研究為例，原始設計（無槽楔）和修改后設計（有槽楔）的聲學模型可以用VRXPERIENCE Sound合成。圖14中上圖和下圖是兩種設計各自對應的瀑布圖。圖15展示了進一步的心理聲學分析，可以比較兩種設計間的響度。圖14顯示了原始設計（上圖）存在約500Hz的諧振，引發主色調的顯著增強。在15圖中，當主要音調接近500Hz的瞬時（大約2秒、4秒和10秒），響度大幅增加。

相反，修改后的設計諧振范圍上移到1500-2000Hz，遠高于主要音調的范圍。因此圖15中對應的響度要更加穩定，說明修改后的設計能提供更優異的聽覺質量。

結論

本白皮書介紹了Ansys多物理場解決方案在降低電機NVH實踐中的應用價值。Ansys集成化的多物理場仿真平臺能為理解噪聲源、傳播路徑以及聲音感知提供端到端的完整解決方案，幫助工程師對電機定子、轉子和外殼的相關參數進行研究，并評估電動汽車的電氣、機械和聲學性能。Ansys先進解決方案，助力工程師成功診斷并優化電機的聲學特征。

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