電磁噪聲分析的案例
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 “新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合” 高級設計仿真培訓
6.3其它結果查看分析
7.MC電機聲場計算結果處理
7.1聲壓壓強查看分析 7.2聲壓級分布查看分析
7.3其它結果查看分析
WB驅動電機電磁噪聲
耦合分析
掌握WB驅動電磁噪聲耦合
分析過程
1.電機maxwell電磁創建
1.1電機模型處理 1.2電磁力計算設置特點技巧
1.3網格剖分技巧 1.4其它注意項講解
2.電機maxwell電磁-結構場耦合
2.1耦合注意事項
3.電機諧響應分析創建
3.1電機相關材料建立 3.2電機模型處理
3.3電機模型材料添加 3.4接觸坐標系處理
3.5網格剖分 3.6約束條件及力源添加處理
3.7求解設置 3.8結果查看處理
4.電機噪聲分析創建
4.1電機噪聲分析相關材料建立 4.2電機噪聲分析模型處理
4.3電機噪聲分析材料處理添加 4.4電機噪聲分析接觸坐標系處理
4.5電機噪聲分析網格剖分
4.6電機噪聲分析約束條件及力源添加處理
4.7求解設置 4.8結果查看處理
5.電機電磁噪聲耦合分析演示及上機操作
5.1永磁同步電動機
備注
開課前老師會針對學員反饋的技術問題進行分析，對共性問題在課堂中老師會與學員共同分析探討、個性問題將在課下單獨交流。
展開 新能源電機電磁、磁熱、震動、噪聲多場耦合
6.3其它結果查看分析
7.MC電機聲場計算結果處理
7.1聲壓壓強查看分析 7.2聲壓級分布查看分析
7.3其它結果查看分析
WB驅動電機電磁噪聲
耦合分析
掌握WB驅動電磁噪聲耦合
分析過程
1.電機maxwell電磁創建
1.1電機模型處理 1.2電磁力計算設置特點技巧
1.3網格剖分技巧 1.4其它注意項講解
2.電機maxwell電磁-結構場耦合
2.1耦合注意事項
3.電機諧響應分析創建
3.1電機相關材料建立 3.2電機模型處理
3.3電機模型材料添加 3.4接觸坐標系處理
3.5網格剖分 3.6約束條件及力源添加處理
3.7求解設置 3.8結果查看處理
4.電機噪聲分析創建
4.1電機噪聲分析相關材料建立 4.2電機噪聲分析模型處理
4.3電機噪聲分析材料處理添加 4.4電機噪聲分析接觸坐標系處理
4.5電機噪聲分析網格剖分
4.6電機噪聲分析約束條件及力源添加處理
4.7求解設置 4.8結果查看處理
5.電機電磁噪聲耦合分析演示及上機操作
5.1永磁同步電動機
備注
開課前老師會針對學員反饋的技術問題進行分析，對共性問題在課堂中老師會與學員共同分析探討、個性問題將在課下單獨交流。
展開 新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合
6.3其它結果查看分析
7.MC電機聲場計算結果處理
7.1聲壓壓強查看分析 7.2聲壓級分布查看分析
7.3其它結果查看分析
WB驅動電機電磁噪聲
耦合分析
掌握WB驅動電磁噪聲耦合
分析過程
1.電機maxwell電磁創建
1.1電機模型處理 1.2電磁力計算設置特點技巧
1.3網格剖分技巧 1.4其它注意項講解
2.電機maxwell電磁-結構場耦合
2.1耦合注意事項
3.電機諧響應分析創建
3.1電機相關材料建立 3.2電機模型處理
3.3電機模型材料添加 3.4接觸坐標系處理
3.5網格剖分 3.6約束條件及力源添加處理
3.7求解設置 3.8結果查看處理
4.電機噪聲分析創建
4.1電機噪聲分析相關材料建立 4.2電機噪聲分析模型處理
4.3電機噪聲分析材料處理添加 4.4電機噪聲分析接觸坐標系處理
4.5電機噪聲分析網格剖分
4.6電機噪聲分析約束條件及力源添加處理
4.7求解設置 4.8結果查看處理
5.電機電磁噪聲耦合分析演示及上機操作
5.1永磁同步電動機
備注
開課前老師會針對學員反饋的技術問題進行分析，對共性問題在課堂中老師會與學員共同分析探討、個性問題將在課下單獨交流。
展開 
基于ANSYS Workbench平臺的電機電磁噪聲仿真分析
下面介紹一下基于ANSYS Workbench平臺的電機電磁噪聲仿真分析：
電動機與發電機等電力設備的噪聲起因很多，有電磁振動噪聲、機械噪聲及流致噪聲等等，本文通過ANSYS公司的官方案例為操作背景，詳細介紹如何將作用在定子上的瞬態電磁力作為結構諧響應分析的載荷計算振動噪聲。
1.電磁模型建立與分析
圖1 電機模型
電機的電路模型如圖2所示。
圖2 電機電路模型
1）啟動Workbench。在Windows XP下單擊“開始”→“所有程序”→ANSYS15→Workbench15命令，即可進入Workbench主界面。
2）保存工程文檔。進入Workbench后，單擊工具欄中的按鈕，將文件保存為“zhendongzaosheng.wbpj”，單擊Getting Started窗口右上角的（關閉）按鈕將其關閉。
3）雙擊Toolbox→Analysis System→RMxprt模塊建立項目A，如圖3所示。
4）雙擊項目A中的A1欄進如RMxprt電機設置平臺，如圖4所示。
圖3 RMxprt模塊 圖4 RMxprt平臺
5）依次選擇菜單RMxprt→Machine Type，在彈出的電機類型選擇對話框中單擊Generic Rotating Machine選項，單擊OK按鈕，如圖5所示。
展開 商用電動車用永磁同步電機電磁振動噪聲削弱方法
摘要
電磁振動噪聲是電機振動噪聲的主要噪聲源，直接影響電機的NVH特性，而電磁力是影響電磁振動噪聲的主要原因。本文基于解析推導法和Ansys多物理仿真平臺，針對一臺250 kW的商用電動車用永磁同步電機進行研究并對其電磁振動進行了分析，指岀電機氣隙磁密的變化將會影響電機定子齒受到的電磁力，從而影響電磁振動噪聲。本文提岀了一種通過在轉子表面增加凹口的轉子結構改進方案以削弱電磁振動噪聲，并對改進前后電機的電磁、模態、振動、噪聲進行仿真計算與對比分析。經過對比優化前后的分析結果可知，優化后的電機方案在保證平均轉矩基本不變的前提下，轉矩脈動得到降低，電磁振動噪聲得到削弱。
關鍵詞
模態分析；電磁振動及噪聲；NVH；電磁激振力；永磁同步電機
0 引言
自2020年9月國家明確提出“雙碳”目標以來, 各行各業都面臨新的機遇和挑戰，其中電動化是節能減排的主要途徑，新能源行業、電動汽車產業是碳達峰及碳中和的主力軍[1]%而隨著駕駛員及乘客對駕駛、乘坐舒適度、噪音水平的需求的日漸趨升,噪聲、振動與聲振粗糙度即NVH指標成為各大零部件提供商和汽車制造商最關注的問題之一。與傳統燃油車不同，電機代替內燃機為電動汽車提供動力， 所以對電動汽車振動噪聲的研究應該圍繞電機展開。永磁同步電動機（PMSM）具有結構較為簡單、體積和重量較小、電機損耗較小、功率因數和效率高等優點，因此，PMSM作為驅動系統被廣泛應用于新能源電動汽車領域[2]。
電機的振動和噪聲主要有三個來源：電磁振動和噪聲、機械振動和噪聲以及空氣噪聲。空氣噪聲在無風扇和低轉速下，其噪音分貝值較小，一般情況下可以忽略。同時，隨著近年來材料加工和工藝領域和的不斷進步，機械振動及其產生的噪聲也可以排除掉，因此如何減小電磁振動是削弱電機振動的重中之重。
展開 從電磁力波到噪聲：工程師如何"扼殺"電機的刺耳聲音？
電機電磁噪聲產生的原因大多如下所述：氣隙中存在各次諧波磁場，它們除產生切向力矩外，還會相互作用產生徑向電磁拉力，這種徑向力是一種行波，特稱之為徑向電磁力密度諧波或者徑向電磁力波，電磁力波作用于定子鐵心，導致定子鐵心徑向振動，定子徑向振動引起周圍空氣振動，從而產生電磁噪聲。
當電磁力波的階次低、幅值高，定子或者定子鐵心中存在該電磁力波相同階次和頻率接近的固有模態，該電磁力波會引起定子或者定子鐵心共振，從而導致高的電磁噪聲。
解決電磁噪聲問題，首先要準確分析和計算電磁力波。通過修改電機結構參數，削弱或者消除引起電磁噪聲的電磁力波是設計低噪聲電機最有效的方法。
iEmSim中“電磁穩態(網絡路法)”可以快速計算電磁力及其諧波，電磁力顯示形式包括：空間圖、時空圖、頻域圖、曲線圖、云圖、柱狀圖、數據表格、理論解析式說明表單、結論表單、動畫等。
氣隙徑向磁力以圖形展現如圖1至圖8所示。
氣隙徑向力波以文表形式展現如圖9、圖10和圖11所示。圖9和圖10中一行數據代表一個氣隙磁力密度諧波，圖9中每個氣隙徑向力波均包含：階次、頻率、幅值、相角、轉向。圖10顯示的是每個徑向力波的階次解析式和頻率解析式。圖11顯示的每行數據代表氣隙徑向磁力密度諧波與氣隙徑向磁密諧波對的對應關系，B(n)代表磁密諧波，n為該磁密諧波在磁密諧波數據表格中的序號。通過如圖9、圖10和圖11所示的數據可以查找分析出電磁力波產生所對應的結構參數和運行工況條件，修改結構參數，比如定子槽數、轉子槽數等，可以削弱或者消除某些電磁力波。
iEmSim幫助文檔中對電機電磁振動噪聲分析基本準則有詳細總結和闡述。
展開 電機振動噪聲建模分析:基于ANSYS Workbench平臺的電機電磁噪聲仿真分析
電動機與發電機等電力設備的噪聲起因很多，有電磁振動噪聲、機械噪聲及流致噪聲等等，本文通過ANSYS公司的官方案例為操作背景，詳細介紹如何將作用在定子上的瞬態電磁力作為結構諧響應分析的載荷計算振動噪聲。
1.電磁模型建立與分析
如圖1所示為一個電機模型，電機的額定輸出功率為550W，額定電壓為220V，極對數為4，定子齒數為24個，轉子的轉速為1500rpm，求電磁振動產生的噪聲大小。
本算例使用的模塊如下：
RMxprt模塊：建立電機類型；
Maxwell模塊：2D瞬態電磁場計算；
Structural 模塊：3D諧響應分析計算；
Acoustics ACT模塊：噪聲計算
注：Acoustics ACT模塊需要單獨安裝，請用戶到官方網站上自行下載。
圖1 電機模型
電機的電路模型如圖2所示。
圖2 電機電路模型
1）啟動Workbench。在Windows XP下單擊“開始”→“所有程序”→ANSYS15→Workbench15命令，即可進入Workbench主界面。
2）保存工程文檔。進入Workbench后，單擊工具欄中的按鈕，將文件保存為“zhendongzaosheng.wbpj”，單擊Getting Started窗口右上角的（關閉）按鈕將其關閉。
3）雙擊Toolbox→Analysis System→RMxprt模塊建立項目A，如圖3所示。
4）雙擊項目A中的A1欄進如RMxprt電機設置平臺，如圖4所示。
圖3 RMxprt模塊 圖4 RMxprt平臺
5）依次選擇菜單RMxprt→Machine Type，在彈出的電機類型選擇對話框中單擊Generic Rotating Machine選項，單擊OK按鈕，如圖5所示。
展開 非晶合金永磁電機的電磁振動噪聲計算與分析
5 結束語
本文采用電磁-機械-流體耦合分析的方法，研究了非晶合金電機的電磁振動特性，并基于電磁場、機械振動以及流體的有限元聯合分析，對一臺小型非晶合金樣機進行了計算，具體如下:
(１) 通過電磁場和機械場的耦合分析，計算出定子齒部表面的徑向電磁力和切向電磁轉矩，表明徑向電磁力是產生電磁噪聲的主要原因；
(２) 機械場和聲場的分析計算表明，非晶定子部分所受應力較大，振動位移和噪聲都大于硅鋼電機，非晶電機的噪聲高出硅鋼電機約５ ｄＢ；對振動位移進行頻譜分析，結果表明該電機在１００ Ｈｚ、１ ５００ Ｈｚ、２ ３００ Ｈｚ 附近有較大的振動位移分量；
(３) 非晶電機的電磁振動性能比傳統硅鋼電機的要差。
展開 切向電磁力對電動車動力總成振動噪聲的影響分析
摘要:為了研究電動車的高頻電磁噪聲問題，以電動車動力總成為研究對象，綜合考慮電機電磁徑向電磁力波和切向電磁力波，建立了動力總成有限元分析模型，采用一種弱磁－固耦合的方法對動力總成的電磁振動噪聲特性進行分析，研究切向電磁力對系統振動噪聲特性的影響。在半消聲室中，對動力總成進行振動加速度及輻射噪聲測試，以驗證仿真分析方法的準確性。研究結果表明，電機與減速器集成后，切向電磁力對電機振動噪聲影響不大，但對減速器產生了不可忽略的影響，在2000Hz和2400Hz處，切向電磁力在減速器表面產生了明顯的振動，并且對減速器表面2000Hz～2400Hz范圍內的聲場貢獻較大。研究結果對電機的電磁參數和結構進行改進和優化設計，為降低電機的電磁振動提供理論依據和試驗支持。
0 引言
隨著世界各國大力推廣新能源汽車，國內外學者也開始研究電動車用永磁同步電機的振動噪聲特性振動特性，研究發現噪音和振動的根源是徑向力引起的電磁振動。此外，在進行電磁仿真分析時，通常施加理想的三相正弦電流，沒有考慮外電路電阻、電感等元件的影響; 隨著研究的深入，有學者發現:針對電機－
減速器集成驅動系統而言，由于電機與減速器存在耦合作用，因此有必要考慮電磁切向力波。
B．Prasanth 針對車用發電機嘯叫進行研究，發現電機嘯叫不僅與其自身有關，還與與其連接的機械構件有關。
通過改變連接方式、增加質量塊等方式提高了電機的噪聲品質。
P．Pellerey 等人分析了電磁切向力對電動車動力總成動態響應的影響，提出切向電磁力不會對電磁噪聲有較大貢獻，但是會對減速器動態特性產生影響。
本文以集中驅動式電動車動力總成為研究對象，考慮外電路的影響，建立場路耦合電磁仿真分析模型，得到徑向和切向電磁力。分析切向電磁力對系統振動噪聲特性的影響。
展開 如何找出電機電磁振動與噪聲的根源問題
MANATEE是專業的電機電磁噪聲設計與分析軟件，能夠直指電機電磁噪聲的根源問題，本文介紹MANATEE軟件中的快速定位噪聲激勵源的功能。從定性分析的角度，電機的振動主要包括受迫振動和共振；從產生電磁力的機理分析，主要是氣隙磁密的諧波問題。
共振的識別
基于MANATEE的電機全轉速轉矩范圍噪聲模態貢獻度分析
為了確定噪聲主要來源于哪階模態，最好的辦法是能夠進行全轉速范圍的聲壓級內的噪聲貢獻度分析，MANATEE軟件能夠直接進行模態貢獻度的分析計算。如果圖中顯示包含2階模態對噪聲有貢獻，那么該徑向電磁力中包含2階電磁力。
展開 
異步電機的電磁振動和噪聲
由于電機的電磁振動是電機電磁場和電機結構相互作用的結果，那么利用磁-固耦合振動理論來研究電機的電磁振動是尋找電機電磁振動產生機理以及解決電機電磁振動最有效的方法。由于電磁力是電機電磁振動的激勵源，其計算的精度決定了電機電磁振動的計算精度， 所以目前在電機電磁振動的研究中大多采用數值分析法來計算電機的電磁力。
ANSYS電機電磁-熱-結構振動-噪聲耦合分析應用
在電機結構振動噪聲計算分析中，主要包含以下幾個部分：
動力學分析
：包括模態分析，諧響應分析，轉子振動分析，轉子、定子、機座耦合振動分析，定子及底座振動分析，共振、臨界轉速分析，瞬態響應特性。
展開 車用永磁同步電機的電磁噪聲分析與抑制
摘要
：電機模態的準確分析是實現電機低噪聲驅動設計的重要環節。當電機模態頻率與對應階次徑向電磁力波頻率接近時，會產生共振。以一臺6極36槽的70 kW商務車主驅動永磁同步電機(PMSM)為研究對象,對比分析轉子開輔助槽和針對一階齒諧波的轉子分段斜極方法對電磁力波的影響。采用轉子開輔助槽和轉子分段斜極的優化方法后,0階12倍頻徑向電磁力波幅值可減小79%。建立電機三維有限元模態仿真模型，分析電機結構部件對模態的影響，結合常用車載驅動電機的安裝固定方式對外殼進行約束,分析不同約束方式下電機的模態特性。結果表明，在峰值功率8 000 r/min的工況下，優化設計方案下的0階12倍頻的徑向電磁力波幅值較大,但由于頻率為4 800 Hz,遠離電機模態的固有頻率，因此不會發生共振，降低了電磁噪聲。
關鍵詞
：電磁力波;模態;輔助槽;斜極;永磁同步電機
0引言
電機的結構噪聲是電機結構受到激振源激勵而產生的，主要來源有機械振動和電磁振動⑴。機械振動由軸承摩擦或轉子不平衡等因素引起， 可以通過采用低噪聲軸承、提高加工工藝和裝配精度等措施來改善；電磁振動由作用于定子結構上的電磁力波引起，是引起車用永磁同步電機(PMSM)噪聲的重要因素。
19世紀20年代初,Fritze首次提出電機電磁噪聲主要由定、轉子之間的徑向電磁力產生⑵。文獻［3］是較早分析PMSM電磁噪聲激振源的文章，將激振源歸為轉矩波動和定、轉子之間的徑向電磁力波,發現電機振動噪聲的頻率特征與上述激振源的頻率特征有很強的關聯性。文獻［4］全面闡述了車用電機振動與噪聲的產生機理，從理論層面深入分析電機電磁噪聲的來源,揭示了電磁噪聲和電機結構參數以及控制參數之間的關系。
展開 異步電機的電磁振動和噪聲簡述
電磁振動：是由電機氣隙中磁場的相互作用，在轉子和定子上產生隨時間和空間變化的電磁力，使電機產生振動。
機械振動：是由轉子的不平衡、軸承等機械結構或裝置引起的振動。
氣體振動：是由電機通風部件中的空氣流動或由空氣動力引起的振動。
電磁振動是許多大中型電機的主要振動源。由于電機的電磁振動是電機電磁場和電機結構相互作用的結果，那么利用磁-固耦合振動理論來研究電機的電磁振動是尋找電機電磁振動產生機理以及解決電機電磁振動最有效的方法。由于電磁力是電機電磁振動的激勵源，其計算的精度決定了電機電磁振動的計算精度， 所以目前在電機電磁振動的研究中大多采用數值分析法來計算電機的電磁力。
ANSYS電機電磁-熱-結構振動-噪聲耦合分析應用
在電機結構振動噪聲計算分析中，主要包含以下幾個部分：
動力學分析：包括模態分析，諧響應分析，轉子振動分析，轉子、定子、機座耦合振動分析，定子及底座振動分析，共振、臨界轉速分析，瞬態響應特性。
噪聲分析：由電機振動引起的振動噪聲、電機風扇引起的氣動噪聲等。
多物理場耦合分析：電機電磁、熱、流體、結構相互作用。
將有限元分析軟件應用到電機結構設計中，使對于電機機械的計算結果更準確，直觀。對于復雜的電機結構，及多變的載荷形式，計算結果比傳統計算手段準確得多。
異步電機的力波分析小結
異步電機振動第一部分振動頻率主要的是2f1（二倍電源頻率）的振動，主要由氣隙磁場的基波產生；第二部分振動頻率是定子和轉子齒諧波相互作用的力波，他們是電磁振動噪聲的主要分量。
展開 基于Motor-CAD的永磁同步電機變速工況E-NVH仿真分析
圖13 電機定子振動速度
圖14 電機定子振動加速度
2.3.4 電磁噪聲結果分析
下圖所示為電機定子輻射聲功率，從中可知0階12倍頻，8階10倍頻14倍頻輻射聲功率較大。
圖15 電機定子輻射聲功率
2.4 Motor-CAD 變速工況E-NVH仿真分析
2.4.1 變速工況具體設置
在進行變速工況分析時，需要進行工況點激勵設置下圖所示為最大外特性曲線。具體的是4個步驟： 1.計算電機外特性曲線；2.添加需要計算的工況；3.計算對應工況的電流、電流角等；4.計算變速電磁力、振動噪聲。
圖16 電機變速工況電磁振動噪聲分析步驟
2.4.2 變速電磁噪聲結果分析
Motor-CAD包含了豐富的噪聲后處理功能，下圖所示為噪聲階次分析結果，噪聲值由最大到小分列，由圖可知，0階12倍頻所產生的噪聲最大，8階14倍頻次之；產生噪聲的來源主要是0階、8階電磁力波。
圖17 電機噪聲階次圖
下圖所示為電磁噪聲瀑布圖，由圖中的結果分析可知，噪聲主要由兩個共振帶引起，分別為0階模態和8階模態。
圖18 電機噪聲瀑布圖
下圖所示為Motor-CAD軟件計算得到的各次電磁力波引起的噪聲瀑布圖，由圖中的結果分析可知，噪聲主要由兩個共振帶引起，分別為0階模態和8階模態。
圖19 各階電磁力波引起的電磁噪聲瀑布圖
3 結論
本文對一臺48S8P電機噪聲進行分析，可知噪聲來源主要為：1.結構的0階、8階模態；2.電磁力波的0階12倍頻，8階14倍頻。
利用Motor-CAD進行電機電磁噪聲分析。從中可以分析出電機噪聲來源，為電機的電磁振動噪聲提供改進依據。
展開 