諧波注入的案例
基于AVL EXCITE M與Simulink控制耦合的電機諧波注入NVH分析
圖9 電機控制單元數據流程
為簡化諧波注入參數的調控流程、提升操作便捷性，EXCITE M 仿真模型支持在控制模型中直接配置諧波注入相關核心參數，包括目標抑制 / 注入諧波階次、注入幅值、注入相位及諧波注入時機等。
圖10 控制模型
下圖為 EXCITE M 單電機三維動力學模型中電機的實際輸出電流信號波形：在基波電流基礎上注入特定階次諧波信號后，電流波形出現明顯的幅值畸變與高頻紋波，且畸變程度與諧波的注入階次、幅值及相位直接相關，直觀反映了諧波注入對電機電流特性的調制效應。
圖11 電機電流信號
下圖為電機輸出扭矩時域對比波形圖。由圖中波形直觀對比可清晰觀察到：在采用諧波注入控制策略后，電機扭矩的穩態波動幅值（峰值 - 峰值，P-P）顯著減小，扭矩輸出的平滑性大幅提升；同時，針對預設目標抑制的特定諧波階次，其對應的扭矩脈動分量幅值得到明顯抑制，相較于無諧波注入工況，該階次扭矩脈動的峰值降幅顯著。
圖12 電機扭矩信號
下圖為 EXCITE M 單電機三維動力學模型中電機殼體表面指定觀測點的振動加速度頻域響應圖及目標抑制階次（48 階，與電機電磁激勵主階次對應）的階次切片圖，對比展示了無諧波注入工況與諧波注入工況下的振動響應差異。
由頻域響應圖可直觀觀察到：針對預設的 48 階主抑制階次，諧波注入后該階次對應的振動加速度幅值得到顯著抑制，相較于無諧波注入工況，其峰值幅值呈現明顯下降趨勢，且在電機主要工作轉速區間內，該階次振動響應的抑制效果持續穩定；進一步結合切片圖分析可見，在特定轉速區間，48 階振動加速度幅值的降幅尤為突出，部分轉速下的幅值較無諧波注入工況降低 50% 以上，實現了翻倍級的抑制效果。
展開 MAGNEFORCE軟件功能及作用介紹
根據轉子位置的任意諧波注入電壓PWM開環控制；
8. 根據轉子位置的任意諧波注入電壓PWM電樞電流（有效值或平均值）閉環控制；
9. 根據轉子位置的任意諧波注入電壓PWM母線電流（有效值或平均值）閉環控制；
10.根據轉子位置的任意諧波注入電壓PWM電樞電流（有效值、平均值或瞬時值）限幅控制；
11.根據轉子位置的任意諧波注入電壓PWM母線電流（有效值、平均值或瞬時值）限幅控制；
12.根據轉子位置的任意諧波注入電流滯環控制；
13.根據時間的固定脈寬固定頻率方波電壓開環控制
3. BCPM 4.2-通用的傳統有刷整流電機設計工具
Magneforce自帶Arbidraw繪圖工具，用戶可以利用Arbidraw建立和修改已有模型，還可以通過Arbidraw控制節點數量以及網格剖分。同時Arbidraw支持用戶自建模型的導入。
BCPM中加入特有的換向模型和電火花模型，以上模型融合了大量的工廠經驗和縝密的理論推導，因此，BCPM模塊可以準確模擬諸如換向損耗、電火花損耗等多種有刷電機特有的參數。使得BCPM在有刷電機設計領域具有絕對優勢。
BCPM主要用于設計電刷換向直流電動機、永磁直流電動機和單相串勵電動機，主要特點包括：
? 模型庫與參數化相結合的輔助建模方式，同時支持自建模型的一鍵導入。
? 采用自適應網格技術，同時支持手動網格優化功能。
? 集成了包括多頻率損耗特性的沖片材料庫和包括多溫度M-H曲線的永磁材料庫。
? 采用具有自動前后處理功能的時步有限元仿真技術。
展開 電驅動NVH特點以及研究現狀
電流諧波注入策略
根據轉矩、電角度以及磁鏈諧波等信息產生諧波電流并注入系統進行控制，消除系統轉矩脈動( 圖3)。
圖3 NVH 中的階次與分貝分析圖
3. 減速器NVH 開發—齒輪激勵控制
減速器NVH CAE 分析流程如圖4 所示：
圖4 減速器NVH CAE 分析流程圖
EV 減速器與傳統變速器的差異點：低速大扭矩負荷，工作轉速提升到12000-15000 rpm 以上高轉速區，缺乏發動機噪聲的掩蔽效應等。
展開 電驅動系統NVH
一般從開輔助槽和斜級等方式，控制引起噪音的電磁諧波。
以上為電機本體側的優化方法，下面介紹控制器側。
控制器主要為IGBT等高頻部件開關引起的電磁諧波，對外部直接輻射噪音以及輸出帶有該諧波電流至電機本體，產生附加的電磁噪音兩類。
控制側主要優化方向，為合理控制IGBT的PWM斬波方式與策略，并搭配硬件濾波降噪等方式進行減弱。PWM諧波噪音優化流程如下圖。
圖36 PWM諧波噪音優化流程
PWM斬波噪音在瀑布圖上的分布，與電機或減速機嘯叫噪音的過零點射線不同，其一般為多組縱向傘形分布，如下圖。
圖37 PWM諧波分布形式
上圖中8000Hz為IGBT開關頻率，其左右對稱的多組放射線，為其不同階次諧波。如某些諧波的頻率較低，可能與電機/減速機諧波產生重疊，則會加劇電驅動的輻射噪音。加大開關頻率，是簡單直接的方法，但會增加損耗影響峰值功率輸出以及控制難度級成本等。
不同IGBT開關頻率下，各項損耗的占比關系，如下圖。
圖38 不同斬波頻率下損耗占比關系
可采用不同的PWM控制策略進行優化。如采用隨機或不對稱PWM方法等，可從控制側優化開關噪音。
圖39 不同控制策略下PWM諧波分量的差異
另外，還可以采用主動阻尼減震和主動諧波注入方式，控制或者抑制噪音的發展。對于后者，由于無法充分涵蓋，不同制造與裝配帶來電驅動系統中，動態特性及噪音表現的分散性，以至于實際效果缺乏普適性。
電驅動系統NVH性能的臺架測試，一般采用下圖的半消音室內進行。一般低成本方案為半消音室。如下圖中，地面為剛性其他表面填充消音片。高成本方案為6個內表面，全部貼覆消音片。
消音片的厚度，一般為需消除最低頻率噪音的1/4波長左右，常用的是0.5~1米。
展開 
理想L系列車型NVH優化策略
主動諧波注入技術通過對電流諧波轉矩波動的主動控制，降低電磁噪聲，抖頻電控策略亦可改善固定頻段內的輻射噪聲。結合高重合度齒輪、靜音電控蓋板、多層扁線繞組、斜極和輔助槽等硬件，使得電驅嘯叫噪聲降低了10dB(A)以上。
在隔聲系統加持下，理想L系列車型純電行駛時的電驅高頻噪聲、控制器噪聲、減速器噪聲均優于特斯拉Model 3。
· 風噪優化
為了給乘員帶來極致的風噪靜謐體驗，理想汽車NVH團隊在諸多造型細節設計上精心雕琢。以外后視鏡為例，在造型團隊的設計基礎上，NVH團隊用試驗結合仿真的辦法提出了優化方案，最終實現了造型圓潤而不失大氣、聲品質柔和而不突兀的目標。小到鏡頭和鏡柄的匹配關系，稍有不慎都有引發風噪的可能，理想L系列車型創新性地采用垂直密封圈，讓外后視鏡的折疊間隙縮小了0.2毫米，大幅改善了車內風噪感知。
同時NVH團隊還對A柱、三角窗、激光雷達等區域進行了精細打磨，并優化車身底盤流場，全面掃除風噪噪聲源。
高速行駛時，由于車體兩側受風力剪切產生更強烈的高頻振動，風噪會占據噪聲主力，隔聲路徑的優化尤為重要，理想L系列車型在前風擋、前門窗、后門窗、全景天幕均標配了5毫米雙層靜音玻璃，通過玻璃中的聲學PVB薄膜有效過濾風噪聲波，使理想L系列車型的風噪水平傲視同級。
· 路噪優化
說到路噪的優化，首先必須提及理想堡壘安全車身?，整體采用貫穿式雙縱梁結構設計，保證了整車彎扭剛度，為NVH性能打下堅實基礎。又如減振塔采用鋁合金鑄造工藝，提升了剛度，可以有效地阻斷路面激勵的傳遞。
展開 串聯電抗器的作用是什么？如何選用？設計中需要注意哪些問題呢？
當配電系統非線性用電負荷比重較大，并聯電容器組投入時，一方面由于電容器組的諧波阻抗小，注入電容器組的諧波電流大，使電容器負荷而嚴重影響其使用壽命，另一方面當電容器組的諧波容抗與系統等效諧波感抗相等而發生諧振時，引起電容器諧波電流嚴重放大使電容器過熱而損壞。
因此，在并聯電容器的回路中串聯電抗器是非常有效和可行的方法。下面我們一起來詳解了解一下諧波對低壓并聯電容器裝置的危害、采用串聯電抗器抑制諧波的作用、串聯電抗器的選用方法以及設計中應注意的一些問題。
（1）諧波的產生原因
在電力系統中，諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。由于半導體晶閘管的開關操作和二極管、半導體晶閘管的非線性特性，電氣設計在線教學狄老師，電力系統的某些設備如功率轉換器比較大的背離正弦曲線波形。對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。
（2）諧波的危害
諧波的危害主要有以下幾個方面：
① 使發電機的輸出功率降低；
② 使變壓器產生附加損耗，引起過熱，加速絕緣介質老化，導致絕緣損壞；
③ 使接入交流系統的電容器過載；
④ 引起電器的附加發熱；
⑤ 使感應電動機轉速發生周期性變動，并引起附加損耗，產生附加的諧波轉矩，產生機械振動和噪聲；
⑥ 加速電纜老化，縮短電纜壽命；
⑦ 對弱電系統產生干擾，影響計算機、通信設備等的正常運行，造成繼電保護誤動作等等。
（3）串聯電抗器的選擇分析
1）串聯電抗器額定端電壓
串聯電抗器的額定端電壓與串聯電抗率、電容器的額定電壓有關。該額定端電壓等于電容器的額定電壓乘以電抗率。
展開 供電系統的諧波是如何產生的？抑制方法又是什么呢？
電氣系統中的電氣設備產生的電壓或電流波形非理想的正弦波時，即說明其中含有頻率高于50Hz的電壓或電流成分，將頻率高于50Hz的電流或電壓成分稱之為諧波。諧波對電氣設備的正常工作有不利影響，因此，研究諧波的危害與抑制方法，對保證電網的電力質量十分必要。
（1）諧波是如何產生的？
諧波來自于三個方面：一是發電設備產生的諧波；二是輸配電系統產生的諧波；三是供電系統的電氣設備（如變頻器、電爐等）等產生的諧波，其中以供電系統的電氣設備產生的諧波居多，具體如下：
1）晶閘管整流設備：由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用，給電網造成了大量的諧波。
晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達基波的30%；接容性負載時則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋脈沖整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流；如果是12脈沖整流器，也含有11次及以上奇次諧波電流。經統計表明：由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。
2）變頻裝置：變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復雜，除含有整數次諧波外，還含有分數次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調速的使用的增多，對電網造成的諧波也越來越多。
3）電弧爐、電石爐：由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩定，引起三相負荷不平衡，產生諧波電流，經變壓器的三角形連接線圈而注入電網。其中主要是2～7次的諧波，平均可達基波的8%～20%，最大可達45%。
展開 基于Ansys平臺的電機NVH仿真分析流程
3500rpm噪聲頻譜
本文以典型案例介紹了基于Ansys平臺的電機NVH分析流程，本流程主要關注電機定子所受麥克斯韋電磁力導致的機殼諧振所產生的表面輻射功率對電機振動噪聲的貢獻，這也是傳統電機NVH分析理論所重點討論的內容，當然，從機殼輻射出的振動噪聲只是電機NVH的其中一條路徑，對于帶有減速器的動力系統來說，電機紋波轉矩導致的軸系共振也不能忽視，但是嚴格來說這不單純是電機本體的NVH問題，同時紋波轉矩也比較容易通過斜極斜槽、磁極修型、主動注入電流諧波等措施得到改善，其優化難度相對徑向電磁力來說并不大，在以后的文章中我們再來關注這一部分內容。另外，因條件有限，本文忽略了一些電機NVH仿真中的實際因素，比如端蓋和繞組模型的等效、定子鐵心裝配預應力、鐵心各項異性的材料屬性以及結構阻尼等等，這些因素都會不同程度上影響NVH分析的結果，需要各位工程師在實際工程項目中，結合相關理論和實驗測試結果進行深入的探索。
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展開 驅動電機NVH問題治理的原理·方法·過程
分別是諧波轉矩引起的強迫振動問題、加減速引起的顫振、扭轉共振問題、轉矩脈動引起的齒輪嘯叫問題。我們一一道來：
諧波轉矩引起的強迫振動問題
這個問題很容易理解，理想電機軸系旋轉轉矩是只有一階，而工程中由于各種機械、電氣誤差不可避免的會產生更多階次的轉矩成分，這些階次的轉矩會產生額外的振動階次，在一些特別的場合諧波轉矩還會使得齒輪嘯叫，降低舒適感。常見的和電機相關的機械激勵：有動不平衡（為了降低動平衡很多企業采用的國外的設備）、不對中不同軸、軸承的剛度變化。
和電機電磁因素、控制因素相關的諧波轉矩如下圖所示：其中主要的成分是紋波轉矩和因電流檢測偏差導致的轉矩脈動。
扭轉共振引起的問題
扭轉振動顧名思義就是指扭轉轉矩的頻率和軸系系統的模態重疊時發生的共振問題。軸系的扭轉模態和電機轉子、齒輪、半軸的剛度、慣量都相關。下圖是一個典型的軸系的扭振模態頻率分布：
理解扭轉共振問題先從leaf2013的案例說起： Leaf從2011切換到2013版本時，發現了 在PDM電源模塊上產生了一個在1.7kHZ 的特別噪音。Nissan工程師們發現，1,7kHZ的噪音電機本身是沒有的，但一旦集成之后就會在電源模塊上產生。這是什么原因呢？
通過進一步分析，這電機和減速器軸系相連接時會產生一種扭轉組合振型。其固有頻率為1.7kHZ，隨著電機轉速提升，很快產生了共振。為了解決這個問題，采取了提升共振頻率的做法，將轉子的扭轉振動固有頻率從1.7kHZ轉移到2.2kHZ,頻率的提高降低了響應幅值，該頻段噪音得以緩解。
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