1        前言

新能源汽車電機集成度越來越高，對電機的功率密度、轉矩密度提出了更高的要求。電機的熱性能趨于極限設計，為了充分發揮電機的電磁性能必須將永磁體的利用率達到最大，因此對于電機的設計必須將電機的電磁、熱以及轉子應力進行耦合分析。并且目前，新能源汽車電機的噪聲問題變得越來越突出，電機的電磁振動噪聲是設計人員研究的熱點問題，而電磁振動噪聲的激勵源電磁力波至關重要。

Motor-CAD軟件提供了電機的電磁、熱以及機械應力分析平臺，可以方便設計人員進行耦合分析。因此熟悉電機的電磁、熱以及機械應力耦合分析流程至關重要，并可通過Motor-CAD實現，與MANATEE聯合仿真即可完成電機的電磁振動噪聲計算分析。

下圖所示為Motor-CAD軟件為電機設計工程師提供的電磁、熱、機械應力以及電磁振動噪聲計算分析耦合方式。

電機電磁、熱、機械耦合方式

電磁性能是電機最重要的性能也是必須要實現的，但是電機電磁性能的實現，需要建立在穩定的熱性能以及轉子機械應力性能的基礎上。因此進行電機多物理域仿真分析時必須以電機的電磁性能為主，然后校核電機熱性能以及轉子機械應力不斷反復迭代優化電機。在電機電磁性能設計完成后應對電機的電磁振動噪聲進行分析評估，并給出優化方向。Motor-CAD軟件與MANATEE軟件聯合仿真即可實現電機的電磁振動噪聲計算與分析。

本文對電機的電磁性能設計、熱設計、轉子機械應力以及電磁振動噪聲的詳細設計不做詳述僅對四者之間的銜接關系進行詳細介紹。

本文以一臺150kW新能源驅動電機為例，分析電機的電磁、熱、機械應力以及電磁振動噪聲性能。

2      電磁分析

在進行電磁分析之前，先建立電機的結構模型、選擇并設置電機的材料屬性、定電機初始溫度并確定電機的求解條件。

電磁結構及其熱結果模型建立

電機各部件材料屬性

電機求解條件及熱磁耦合方式選擇

這些條件設置完成后，計算電機的轉矩性能并分析電機的轉子磁場分布，為后續的機械應力分析提供參考數據。

下圖所示紅色向量為電機各部分電壓向量圖，從下圖可知電機端電壓并未超過電機的母線電壓，這樣在實際中電機的母線電壓能夠滿足電機的性能要求。

電機各部分電壓向量圖

下圖所示為電機的輸出仿真性能，但是這是比較理想的性能仿真。并未真實考慮電機溫度對電機材料的影響，并且轉子結構隔磁橋和加強筋是否能滿足材料的應力需求。

未考慮溫度及機械應力的校核電磁計算結果

3      熱分析

在電磁分析時，我們選擇的損耗MAP到熱模塊，因此電磁計算各部分損耗結果會MAP到電機的熱模型中。如下圖所示。Motor-CAD提供了比較簡明的熱磁切換模塊，方便進行仿真，如下圖所示。

各個模塊的簡明切換

熱磁耦合方式選擇

如圖所示為樣機的熱結構模型，機殼采用軸向水冷方式，可以有效降低電機的溫度以及電機繞組軸心部位的溫度；采用端部噴淋冷卻能夠大大降低繞組端部的溫度；由于電機軸不溫度僅能通過鐵芯機殼向外傳遞，因此采用軸心流體散熱可以有效的降低電機轉軸的溫度。

 電機冷卻方式及結構圖

建立好電機的熱模型及熱源后，就可以進行電機的穩態仿真。下圖所示為電機熱計算操作圖，僅選擇求解穩態、瞬態即可。

電機熱計算操作圖

下圖為電機穩態溫度計算結果，從圖中可是，由于繞組端部的噴淋散熱，大大降低了繞組端部的溫度；通過軸向流體散熱電機的轉子及轉軸的溫度也大大降低為電機的轉子、軸提供了新的散熱路徑。

電機穩態溫度計算結果

電機各部件溫度計算完后會自動MAP到電機的各個部分，如下圖所示。從圖中可知電機的各部分溫度均為熱計算結果，較之前的假定值更加準確。但是溫度的變化會影響電機的電磁性能這時候我們要重新計算電機的電磁結果，如下圖所示為考慮了電機溫度的電磁計算結果。從圖中可知電機的效率有所降低這是因為電機的繞組溫度大于之前的100℃引起的，但是電機平均轉矩較之前略微變大，這是因為電機的永磁體溫度計算后為79.49℃小于之前假定的100℃。

電機穩態溫度計算結果MAP到電磁材料中

考慮溫度的電磁計算結果

以上就是電機熱磁耦合的詳細過程，實際上Motor-CAD還提供了更加簡明的熱磁耦合過程，設置如下圖所示。

熱磁自動耦合選擇及其配置參數設置

4        機械應力分析

Motor-CAD提供了操作簡單的機械應力分析模塊，此模塊主要是針對電機轉子應力分析，分析在高速情況下電機的轉子各部分應力是否超出電機的轉子材料應力屬性并且合理的應力分析對于電機電磁性能的優化有重要意義。

下圖所示為電機磁場分布圖，從圖中客戶資源兩部分隔磁橋的磁密為2.0T，2.15T接近于電機鐵芯的飽和區。但是這樣的隔磁橋是否能滿足機械應力還需要進一步的校核。

電機磁場分布

下圖所示為電機在14000rpm時的應力分布圖，從圖中可知應力最大為468.6MPa，已經超過了材料的屈服強度455MPa。因此電機轉速不能超過14000rpm。

電機機械應力分布

電機材料機械特性

為了達到較高的轉速可以加寬電機的加強筋，通過圖中的改變電機的薄弱點的應力降為271.8MPa，未超過材料的屈服強度。

電機轉子薄弱點加寬

電機轉子結構改變后應力分布

下圖所示為電機加強筋的加寬后的電磁仿真性能，從圖中可知電機的轉矩較之前降低了10N.m。加強筋加寬會增大電機的磁極漏磁，降低轉矩。因此要權衡電磁與應力的關系，以設計出滿足特定場合的電機。

電機轉子結構改變后的電磁性能輸出

5      Motor-CAD與MANATEE的電磁振動噪聲耦合分析

Motor-CAD與MANATEE的接口數據為氣隙徑向和切向磁密，為了能夠將電磁力波導入MANATEE軟件中進行計算，需在Motor-CAD中計算電機氣隙磁密。具體的設置方法為：

電磁力及磁密在時間和空間上點數的設置

徑向、切向力波設置查看

計算完成后需要應用Motor-CAD軟件的后處理功能，對電機的氣隙磁密的時空數據進行具體的讀寫，并保存為Excel文件格式，具體的如下所示。

磁密數據讀取

Br數據文件

Bt數據文件

得到的Excel格式磁密數據如下所示，并將Excel格式轉化為cvs格式。在Matlab軟件編譯環境下，讀取cvs格式的并保存為Matlab的.mat格式。為了實現上述功能我們編譯了matlab M文件實現上述功能。

讀取數據的部分實現

然后將.mat格式數據導入MANATEE中，利用軟件中自帶的結構模塊計算電機定子結構模態，進而求取電機的振動噪聲。

MANATEE導入磁密設置

通過MANATEE對電機的噪聲進行計算分析，下圖所示為電機的空載徑向氣隙磁密及其FFT，從圖中可知5、7、9、11、13以及高次齒諧波較大。

空載徑向氣隙磁密及其FFT

下圖所示分別為電機的徑向力波2維FFT分解。從圖中可知，空間階數為0、8；這是共振的主要來源。其中圖中標出的為主要的力波源。

電機的徑向力波2維FFT分解

下圖所示電磁振動加速度變速頻譜，從圖中可知，在全速范圍內電機振動主要來源2f、4f、8f等。

電磁振動加速度變速頻譜

下圖所示電磁噪聲變速頻譜，從圖中可知，在全速范圍內電機噪聲來源主要為：8階22f以及0階12f。

電磁噪聲變速頻譜

下圖所示為電機變速電磁噪聲聲壓曲線。從圖中可知噪聲的峰值主要力波來源為：0階12、36倍頻；8階22倍頻。

電機變速電磁噪聲聲壓曲線

通過分析可知：在電機空載下，噪聲的主要力波來源為：0階12、24倍頻；8階22倍頻。其中0階12倍頻（48階次，相對轉頻）引起的電磁噪音最大。負載工況下分析方法類似不再累贅。

6        結論

本文依托一臺150kW新能源驅動電機為分析樣機，為電機設計工程師提供了電磁、熱、機械應力以及電機電磁振動噪聲分析優化的流程。

Motor-CAD提供了較為方便的電磁、熱、機械應力計算分析的模塊，并且為電磁熱耦合提供了單向、雙向耦合方式，方便用戶應用；提供了電機豐富的散熱功能，例如機殼水冷以降低電機繞組中部溫度、噴淋冷卻降低繞組端部的溫度、軸心流體冷卻提供轉子新的冷卻路徑，以降低轉子及永磁體的溫度。電機電磁、熱、機械應力是以電磁為中心相互耦合的，具體的過程為：熱影響電機的材料屬性從而影響電機的電磁性能，不同的電磁性能有不同的損耗，進而影響電機的熱計算；為了滿足不同場合的性能會直接影響轉子加強筋的寬度，進而影響電機的電磁性能。

通過與MANATEE聯合仿真實現電機的電磁振動噪聲計算與分析，由上分析可知，合理的氣隙磁密波形優化，能夠在不增加結構重量及材料成本，不改變電機定子及機座結構的基礎上，降低電機噪聲，提高聲品質。

來源：西莫電機論壇