電機NVH分析的案例
基于Ansys平臺的電機NVH仿真分析流程
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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http://event.31huiyi.com/1844160010/index?c=jishulink
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。
展開 官方免費 | Ansys 電機NVH仿真分析流程介紹
培訓內容
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），主要包括三個來源，即電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲，通常在這三類噪聲中電磁振動噪聲的比重較大，是我們重點關注的對象。電機NVH分析是典型的多物理場耦合問題，傳統的分析理論建立在解析模型的基礎上，基于此編寫的分析軟件雖然計算速度很快，但是精度較差，尤其是對于新結構電機來說更是如此。
本次網絡研討會將介紹如何利用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。
課程對象
電機設計工程師，電機NVH仿真工程師
培訓時間
4月21日16:00—17:00
主講講師簡介
王楊
Ansys低頻電磁技術工程師。2013年畢業于沈陽工業大學電機與電器專業，后長期從事電機研發、設計等工作。2019年加入Ansys中國，負責Ansys低頻電磁仿真軟件在機電領域的技術支持、項目咨詢、培訓等工作，對Ansys低頻電磁產品有深入了解，擁有豐富的電機設計工程經驗。
費用：免費
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展開 電機設計 | 利用Ansys Motor-CAD NVH調諧分析噪聲、振動和聲振粗糙度（內含演示視頻）
本文原刊登于Ansys.com：《Analyzing Noise, Vibration, and Harshness With Ansys Motor-CAD NVH Tuning》
作者： Shi-Uk Chung | Ansys 高級應用工程師
編輯整理：王楊 | Ansys 主任應用工程師
噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）是電機設計與性能的關鍵因素。過高的NVH會導致產品壽命縮短、維護成本增加和客戶滿意度下降。因此，在設計早期階段解決NVH挑戰至關重要，以避免設計階段后期出現重大NVH問題。
電機NVH分析本質上是一個結合了電磁和機械分析的、復雜的多物理場問題——因為電機NVH問題通常源于電磁力與結構組件（如定子）之間的相互作用。因此，全面了解電機的電磁和機械屬性對于準確預測其NVH性能至關重要。
Ansys Motor-CAD電機設計工具是一款專用解決方案，可用于在整個扭矩-速度范圍內對電機進行多物理場仿真。利用該工具，用戶能夠在同一個用戶界面中評估電磁、熱和機械性能。將電磁和機械模塊集成到Motor-CAD軟件中，可實現快速NVH分析，從而促進電機設計的迭代優化。這種方法使用戶能夠調整關鍵設計參數（例如繞組配置、轉子和定子幾何結構以及結構材料），并快速評估其對NVH性能的影響。此外，這種靈活性有助于用戶在性能、成本和NVH特性之間實現最佳平衡。
為了進行快速NVH分析，Motor-CAD軟件使用一種分析機械模型，將定子幾何結構簡化為簡單的環形結構。然而，其在剛度計算方面有局限性。例如，當齒底較寬時，就會發生這種情況——如圖1所示，齒部幾何結構會影響定子軛剛度。
圖2比較了未調諧的Motor-CAD等效輻射功率（ERP）水平與圖1所示電機在Ansys Mechanical結構有限元分析（FEA）軟件中的結果。
展開 直播課程 | 電機NVH仿真分析流程
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直播主題
電機NVH仿真分析流程
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電機噪聲分析的一般流程
分享電機噪聲的仿真分析案例，用案例說明具體的仿真步驟，分析電機的結構設計與噪聲響應的關系，展示不同的建模方法對噪聲分析結果的影響
重磅發布電機噪聲分析流程管理器，將電磁力、結構設計、噪聲響應直接串聯，可以對電磁力進行空間和階次分解，并從多角度分析振動、噪聲響應的貢獻來源。即使不會操作Actran軟件也可以快速上手使用流程管理器進行電機振動、噪聲分析。
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永磁同步電機、NVH、結構優化、幾何參數化建模...
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永磁同步電機力波和NVH分析以及結構優化探討
時間：7月21日19:30
內容簡介：
1.概述
2.電磁力諧波原理分析
3.電磁力空間和時間諧波分析
4.電磁場力波的仿真結果分析
電磁力瀑布圖
電磁力波二維傅里葉分解的時空特性柱狀圖
5.一款永磁同步電機NVH仿真分析
加速度Campbell圖
12000rpm的振型
空間4階數的加速度和電磁力雷達圖
6.針對NVH的電磁力波結構優化方法探討
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展開 電機NVH分析中的空間階次
要分析電機的E-NVH問題，首先要具備一些基本的物理概念，傳統的電機設計方法主要包括電磁設計、熱設計、機械設計等；其中電磁設計是電機設計中的關鍵問題，傳統來講，電機本體的電磁設計主要關注電機的電磁結構能夠滿足功率、扭矩、效率、體積、發熱等需求，不考慮電機E-NVH的問題，一般也不需要具備階次分析的概念。
新能源汽車電機本體的噪聲主要包括機械噪聲和電磁噪聲，機械噪聲主要是軸承噪聲，我們關注的重點是電機的電磁噪聲，其主要由兩部分構成：槽極交互引起的噪聲（驅動電流完全正弦）；PWM波載波驅動注入相電流的諧波引起的電機噪聲。
基于MANATEE的階次分析
電機的E-NVH問題非常復雜，要分析電機的電磁噪聲問題，就需要了解一些新的概念，本文介紹一下電機分析中的階次的概念。階次描述的是一些周期性物理量的空間頻率，如沿電機氣隙周期性分布的磁動勢、磁導、磁密、電磁力等物理量。如某物理量A的空間表達式為如公式1所示：
從公式1可知，A是由0到無窮階的空間諧波組成，r為階次，一個氣隙周期為360°機械角度，即為2π，那么r階的波長為2π/r，階次也反映了某物理量沿著氣隙一周的波數。例如：根據電磁力的計算公式，可知電磁力正比于氣隙磁密的平方，電磁力的最大階次由轉子的極數決定的，即r=2p。
當引入時域概念后，我們獲得了某階次單一頻率的時域表達式如下所示，其行波速度為w/r，行波方向取決于角速度和階次的±，在MANATEE中，頻率總是為正，階次可能為負。
某一階次的空間諧波就在頻率軸上有了傅里葉分解。如下圖所示
基于MANATEE的力密度的時空分布
下面展示幾個階次的力波力型方便理解。
展開 免費直播 | 基于新能源汽車電機的結構參數化和NVH系列直播課程
費用：免費
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（二）永磁同步電機力波和NVH分析以及結構優化探討
培訓內容
電機在運行過程中，氣隙磁場包括基波磁場和一系列諧波磁場，這些磁場的相互作用產生電磁力，將電磁力可分解為徑向力和切向力，其中切向力會產生切向轉矩，而隨著時間和空間變化的徑向力作用于定子鐵心上，使得定子鐵心和機座發生與徑向力同頻率的振動，導致變形。當徑向力的頻率接近電機的固有頻率時，則會發生共振，引起較大的振動及噪聲。所以需要深入研究徑向力波的時間空間諧波。
本研討會將對電磁力的力波進行深入研究和分析，然后針對一款電機進行NVH的仿真分析，從振動加速度和模態定位出共振的電磁力時空特性，為電磁結構優化鎖定目標；最后我們為大家分享基本的結構優化思路和方法，為學員們的電磁減噪提供思路。
培訓大綱：
? 概述
? 電磁力諧波原理分析
? 電磁力空間和時間諧波分析
? 電磁場力波的仿真結果分析
? 一款永磁同步電機NVH仿真分析
? 針對NVH的電磁力波結構優化方法探討
課程對象
電機設計工程師、NVH工程師、電機專業學生；振動噪聲分析、結構設計優化
培訓時間
7月21日19:30
主講講師簡介
陳天贈
高級電磁技術經理
2009年進入上海電氣從事電氣設計工作，2012年進入上海海立電器有限公司從事電機設計工作，2017年加入IDAJ中國負責電磁仿真技術工作。曾負責多個電機開發的項目，包括感應電機和永磁電機的產品開發工作，對永磁同步電機和感應電機的電磁仿真、設計、試驗、工藝等有較為豐富的經驗，使用JMAG電磁仿真軟件多年，申請電機相關專利一項。
展開 電機振動噪聲建模分析：基于Motor-CAD的永磁同步電機E-NVH仿真分析（單一工況點噪聲）
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。本文基于Motor-CAD對永磁同步電機進行電磁振動噪聲（E-NVH）仿真分析，為永磁同步電機的E-NVH分析提供理論依據，并為永磁同步電機的E-NVH提供優化途徑。
Motor-CAD是全球領先的新能源汽車電機選型分析及設計軟件，用于新能源汽車電機的選型匹配，優化設計，競品分析，拆解分析等。開發至今，已被全球主要的整車生產企業、電機生產商、科研機構及高校等廣泛使用。
Motor-CAD集成化軟件包，可在選型、設計階段高效地對電機進行電磁和熱性能測試；軟件包括：電磁（EMag）、熱（Therm）、機械模塊（Mechanical）和虛擬實驗室（Lab）四個模塊，可在幾分鐘內精確評估電磁、熱和電磁振動噪聲特性。
本例以一臺48S8P永磁同步電機為例，對電機的電磁噪聲進行仿真分析。通過Motor-CAD中的Mechanical模塊對電機E-NVH進行仿真分析，為后續的降噪方案提供思路。下圖所示電機的Motor-CAD模型圖，內置式永磁同步電機，具體的結構參數設置在此不再贅述。
展開 【技術帖】基于AVL仿真分析平臺的電驅動總成NVH分析
AVL作為全球知名的汽車技術咨詢公司，在電驅動總成設計與開發的模擬技術中，形成了從系統到部件、從部件結構可靠性、系統NVH性能到整車動力性經濟性以及整車熱管理分析的完整的工具鏈。基于AVL 仿真模擬平臺針對電機的模擬仿真，可以考慮到多物理場間復雜的相互作用，進行多物理場、多計算域的聯合仿真。例如：根據電機電磁場計算結果，結合多物理場耦合分析功能，可以進行電機的三維熱管理分析，用于電機冷卻水道的詳細設計和優化；基于三維熱管理分析的計算結果，自動地生成電機一維熱管理模型，并結合電磁場分析得到的電機外特性和效率Map圖，可進一步搭建全面的系統級整車熱管理模型進行整車系統級別的能量分析和優化；除此之外，電磁激勵還可作為同平臺電機動力學分析的載荷邊界，繼而實現電機NVH特性的準確模擬。
圖3 AVL仿真分析平臺電機仿真內部數據交互
在汽車開發過程中，NVH性能作為的重要評估指標之一，直接關系到整車駕駛舒適性。而隨著汽車動力傳動系統架構的變更，新能源汽車在NVH性能開發過程中重點關注和著重解決的問題點也與傳統汽車相去甚遠。其中，電驅動總成做為新能源汽車一種新的驅動方式，其NVH性能開發是關注的重點。本文將就AVL在電驅動系統NVH仿真分析的開發應用上做重點闡述和介紹。
二 主要分析任務
根據電驅動總成結構，其主要噪聲來源可以分為兩個部分：一是電機噪聲，二是齒輪噪聲。
電機噪聲主要分為三個方面，即空氣噪聲、機械噪聲和電磁噪聲。空氣噪聲主要由于風扇轉動，使空氣流動，撞擊、摩擦結構而產生。噪聲大小決定于風扇大小、形狀、電機轉速高低和風阻風路等情況。現階段，常見新能源汽車電驅動系統中電機冷卻形式主要為冷卻液冷卻，傳統電機風噪并不是其關注的對象。
展開 基于AVL EXCITE M與Simulink控制耦合的電機諧波注入NVH分析
圖1 AVL 新能源動力系統動力學解決方案
作為車用動力總成動力學分析領域的專業級工具，AVL EXCITE M 具備全面且深度的仿真分析能力：不僅可精準實現傳統發動機領域的核心動力學分析（包括彈性液力潤滑（EHD）仿真、振動噪聲（NVH）性能預測、扭轉振動特性分析及載荷傳遞路徑仿真等），還能針對新能源動力系統中的關鍵部件（如發動機、電機、減速器總成）開展精細化動力學評估，涵蓋發動機動力學、電機轉子動力學特性、齒輪傳動系統接觸應力分布、軸承載荷分析及整體傳動系統振動響應預測等核心場景，為動力總成的設計優化、性能提升及可靠性驗證提供全方位的技術支撐。
為滿足電機動力學的各類分析需求，EXCITE M 提供三類電機連接副模型，其功能定位與應用場景如下：
1. 參數輸入型（Parameter Input）：核心聚焦電機轉速與扭矩的功能控制，典型應用場景為臺架測功機模擬控制，可精準復現轉速 / 扭矩閉環控制邏輯；
2. 文件基礎型（File-Based Model）：依托電磁分析獲取的電機物理 MAP 數據構建模型，能夠納入電機控制策略對動力學特性的影響，適用于需結合電磁 - 動力學耦合分析的場景；
3. MAP 基礎型（MAP-Based Model）：核心用途是將預計算得到的電機載荷 MAP 數據映射至動力學模型，可精準表征電機在瞬態與穩態工況下的 NVH 性能，滿足振動噪聲相關分析需求。
針對 File-Based Model 電機類型，軟件已集成內置常規電機控制模型，該模型涵蓋轉速控制模塊、電流控制模塊、電池單元及逆變器單元，可實現電機轉速與扭矩的精準控制，同時能夠納入電機逆變器開關頻率的影響因素。
展開 Ansys | 利用Ansys Motor-CAD NVH調諧分析噪聲、振動和聲振粗糙度
噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）是電機設計與性能的關鍵因素。過高的NVH會導致產品壽命縮短、維護成本增加和客戶滿意度下降。因此，在設計階段早期解決NVH挑戰至關重要，以避免設計階段后期出現重大NVH問題。
電機NVH分析本質上是一個結合了電磁和機械分析的、復雜的多物理場問題——因為電機NVH問題通常源于電磁力與結構組件（如定子）之間的相互作用。因此，全面了解電機的電磁和機械屬性對于準確預測其NVH性能至關重要。
Ansys Motor-CAD電機設計工具是一款專用解決方案，可用于在整個扭矩-速度范圍內對電機進行多物理場仿真。利用該工具，用戶能夠在同一個用戶界面中評估電磁、熱和機械性能。將電磁和機械模塊集成到Motor-CAD軟件中，可實現快速NVH分析，從而促進電機設計的迭代優化。這種方法使用戶能夠調整關鍵設計參數（例如繞組配置、轉子和定子幾何結構以及結構材料），并快速評估其對NVH性能的影響。此外，這種靈活性有助于用戶在性能、成本和NVH特性之間實現最佳平衡。
為了進行快速NVH分析，Motor-CAD軟件使用一種分析機械模型，將定子幾何結構簡化為簡單的環形結構。然而，其在剛度計算方面有局限性。例如，當齒底較寬時，就會發生這種情況——如圖1所示，齒部幾何結構會影響定子軛剛度。
圖1：具有寬齒底的定子
圖2比較了未調諧的Motor-CAD等效輻射功率（ERP）水平與圖1所示電機在Ansys Mechanical結構有限元分析（FEA）軟件中的結果。Motor-CAD解析模型可準確預測由三階力諧波激勵的第0階模態（膨脹模態）。然而，由于寬齒底對定子軛剛度的影響，它無法有效預測由二階力諧波分量激勵的第6階模態（六邊形模態）。
展開 
基于Motor-CAD的永磁同步電機變速工況E-NVH仿真分析
1 前言
目前，新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。本文基于Motor-CAD對永磁同步電機進行電磁振動噪聲（E-NVH）仿真分析，為永磁同步電機的E-NVH分析提供理論依據，并為永磁同步電機的E-NVH提供優化途徑。
Motor-CAD是全球領先的新能源汽車電機選型分析及設計軟件，用于新能源汽車電機的選型匹配，優化設計，競品分析，拆解分析等。開發至今，已被全球主要的整車生產企業、電機生產商、科研機構及高校等廣泛使用。
Motor-CAD集成化軟件包，可在選型、設計階段高效地對電機進行電磁和熱性能測試；軟件包括：電磁（EMag）、熱（Therm）、機械模塊（Mechanical）和虛擬實驗室（Lab）四個模塊，可在幾分鐘內精確評估電磁、熱和電磁振動噪聲特性。
2 基于Motor-CAD的E-NVH仿真分析
2.1 Motor-CAD 軟件中的電機模型
本例以一臺48S8P永磁同步電機為例，對電機的電磁噪聲進行仿真分析。通過Motor-CAD中的Mechanical模塊對電機E-NVH進行仿真分析，為后續的降噪方案提供思路。表1所示為電機的主要結構參數。
展開 如何選用電機振動噪聲分析工具
通過分析時間歷程響應，可以了解電機在時間上的變化規律，包括振動變化、變形情況等；
2) 動態特性：獲得電機的固有頻率、振型和阻尼特性等動態特性信息，對于結構的設計、振動控制、以及故障診斷具有重要意義；
3) 應力和應變分析：計算電機在不同時間點上的應力和應變分布情況，可以評估結構在不同時間點的應力及變形情況；
4) 瞬態載荷響應：求解電機在受到瞬態外力或載荷作用下的響應情況，通過分析電機的瞬態載荷響應，可以研究結構在不同電磁力條件下的動態響應特性，包括共振、振動幅值等；
5) 耦合問題分析：用于處理復雜的耦合問題，通過考慮不同物理場的相互作用，可以分析出電機在時間域內的動態響應情況。
通過上述諧響應或瞬態響應求解，都可以得到較為精確的電機振動響應，通過這些響應一方面可以與實際樣機的振動進行數值對比分析，主要對比電機的結構模態數據、振動響應數據以及產生振動響應階次；另一方面可以作為聲場分析激勵源。
五、產品問題診斷—NVH故障分析
電機樣機或量產機出現NVH問題時，需要用電機NVH仿真工具對標測試，進行故障診斷。
NVH故障診斷分析主要分為以下幾部分：
在電機故障診斷中，工程師首先利用NVH測試設備對電機NVH性能進行測試，得到測試數據，然后再對測試數據進行分析，最后利用仿真工具對NVH故障進行還原。
展開 白皮書 | Ansys電機NVH仿真解決方案
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。
展開 電機NVH測試優化：鑄鐵平臺在噪聲振動測試中的基礎作用
在新能源汽車、工業電機、家電電機等領域，NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）功能是評估電機品質的核心指標，直接影響產品舒適性、可靠性與市場競爭力。電
鑄鐵材質本身具備的阻尼功能，振動傳遞率≤5%，能快衰減電機運行產生的高頻振動，避免平臺自身成為二次振動源，防止振動反射疊加影響測試信號。同時，平臺底部配備專用阻尼減振墊（阻尼比≥0.2），可隔離地面振動、設備共振等外部干擾，將環境振動對測試的影響控制在小范圍，確保振動傳感器采集的信號純度，為后續噪聲振動數據分析提供準原始數據。
在電機NVH測試平臺選型中，需根據電機規格與測試需求準匹配：針對中小型電機（功率≤50kW）的NVH測試，選用00級精度HT250材質平臺即可滿足需求；針對大功率電機（功率＞50kW）或高頻噪聲振動測試場景，需選用QT600材質增強剛性，搭配隔音罩安裝預留結構，進一步優化測試環境。同時，平臺需定期用激光干涉儀復核平面度，避免長期使用導致精度衰減，確保測試數據的一致性與可靠性。
綜上，鑄鐵平臺通過保障測試基準穩定、抑振動干擾、優化測試布置精度，在電機NVH測試中發揮著不可或缺的基礎作用，是提升測試精度、優化測試流程的核心保障。在電機行業對NVH功能要求日益嚴苛的趨勢下，選用適配的鑄鐵平臺搭建電機NVH測試臺，是準評估電機噪聲振動功能、效推進NVH優化的關鍵舉措，對提升電機產品品質與市場競爭力具有重要意義。
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