電機分析的案例
Maxwell電動汽車的驅動電機電磁方案分析
電動汽車對驅動電動機主要有起動轉矩要大、恒功率區寬、調速范圍大、效率要高、能量回收率要高、尺寸要小、可靠性高等要求；同時需要電機要小型化、更安全可靠、更高效，成本要降低。由于永磁同步電動機功率密度大、調速性能好、體積更小，效率更高等特點，但是退磁風險和成本因子是永磁同步電機的短板，綜合分析其優點多于缺點,從而現下新能源汽車使用永磁同步電動機作為驅動電機最多。
我們通過ANSYS EletronicsDesktop電磁平臺下Maxwell 2D模塊進行某電動汽車用的驅動電機電磁方案分析，通過此文我們可以知道借用Maxwell 2D能分析電機哪些性能和得到電機哪些參數結果
1 驅動電機性能要求
一般驅動電機性能要求有以下參數來考核，實際情況可能不止這些參數要求。
1.額定電壓
2.額定電流
3.額定功率
4.最大運行速度
5.最大轉矩
6.直流側電壓值
7.最大轉速時峰值反電動勢
8.最大電流（過載倍數）
9.效率
10.轉矩矩脈
這里以某一驅動電機為參數作為分析對象，下表1為其參數；由于某些電磁結構尺寸及所使用材料等不確定，仿真結果與實際有出入，我們關注是Maxwell能分析得到哪些電機結果。
展開 Magneforce在電機電磁分析中層的應用
Magneforce在電機電磁分析中層的應用
電機電磁分析是在電機初步設計方案的基礎上，利用電磁場有限元分析技術，對電機的電磁參數、特性曲線、損耗分布等多種電機參數進行精確分析的的計算方法。相比于傳統磁路法，有限元分析在各種電感和漏感的求解，永磁體的處理，鐵芯損耗的計算等多方面有顯著優勢。但是，單純使用電機有限元分析技術設計旋轉電機時，由轉子造成的氣隙網格畸變是最棘手的問題。為了解決氣隙網格畸變的問題又提出了場路相結合的分析方法，最典型的是場路相耦合的時步有限元法。時步有限元法將電機內部電磁場有限元方程、外電路方程和機械運動方程相結合，模擬轉子的實際運動，從而求出各個電磁參量隨時間的變化關系。該方法能充分考慮鐵磁材料的局限性，齒槽區域邊界的曲折性和材料分布的復雜性，是目前最為理想的電機設計方法之一。
有限元在線使用基于時步有限元法的Magneforce軟件進行電機設計和電磁分析。涉及電機種類包括感應電機、電勵磁同步電機、永磁同步電機、直流無刷電機、有刷直流電機、磁阻電機等主要類型。
典型問題的處理:
1、
在做電機電磁分析時最頭痛的問題莫過于繁瑣的前后有限元處理過程而我們采用的Magneforce軟件采用全自動的前后有限元前后處理以及參數化的建模方式，大大降低了分析的難度，縮短了分析的時間，提高了電機設計的效率。詳細資料請看Magneforce軟件介紹。
展開 基于ANSYS的界面化電機磁場分析程序設計.pdf
摘要：介紹了基于ANSYS二次開發語言UIDL與APDL相結合開發界面化電機磁場分析程序的過程。程序
實現界面化后使用方便，整個分析過程用戶不用修改源代碼，僅需按照電機結構輸入物理參數和分析需要的控制
參數。該程序適用于大多數常規結構的凸極同步電機，因此對于并未掌握ANSYS的電機分析者，通過該程序即可
實現電機磁場的空載、負載以及諧波計算分析。通過對多臺不同結構的凸極同步電機進行計算比較，證明了該程
序結構合理，計算速度高，結果準確，通用性強。
基于ANSYS的界面化電機磁場分析程序設計.pdf
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 
如何選用電機振動噪聲分析工具
有限元諧響應求解
有限元諧響應主要流程如下：
通過諧響應可以得到以下信息：
1) 頻率響應：確定電機在不同激勵頻率下的響應情況。通過加載不同頻率的電磁激勵，可以繪制電機的頻率響應曲線，找到電機的共振頻率、幅值和相位等信息；
2) 模態分析：確定電機的固有頻率和模態振型，對電機的結構和振動特性進行分析；
3) 激勵-響應頻譜分析：確定電機對諧波激勵的響應特性；通過加載不同頻率和振幅的電磁激勵，可以測量電機的響應信號，并進一步計算電磁激勵和響應之間的頻譜分析結果，用于了解電機的傳遞函數和頻率響應特性。
2. 有限元瞬態響應求解
有限元瞬態響應求解主要流程如下：
通過有限元瞬態響應求解可以得到以下信息：
1) 時間歷程響應：分析電機在不同時間點上的響應結果，得到電機的時間歷程響應曲線。
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 直播課程 | 電機NVH仿真分析流程
1
直播主題
電機NVH仿真分析流程
2
您所期待的內容？
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。
展開 電機振動噪聲建模分析：ANSYS電機振動噪聲分析
對于電機來說，這些力可能是驅動轉子軸的磁力，也可能是更大的驅動系統的一部分，比如軸承和/或齒輪。
圖1 汽車NVH示意圖
噪聲是電機的一個熱門話題，而諸如重量和成本降低等競爭性需求會帶來工程挑戰，如果不加以解決，可能會影響客戶滿意度和產品接受度，使用ANSYS工具將為如何全面解決電機噪聲提供工程指導。
1. 問題分析
本例以永磁同步電機模型為例。在Maxwell 2D中，利用該電機的1/8模型，計算定子內表面徑向和切向磁拉力；然后在ANSYS Mechanical中進行該電機三維定子的諧響應分析；最后在ANSYS Harmonic Acoustic中進行三維聲場分析。在Workbench中，Maxwell中計算的定子內表面徑向和切向磁拉時域力密度分布，作為激勵源，耦合到Mechanical 中進行頻域的諧響應分析；諧響應分析的結果，作為激勵耦合到ANSYS Harmonic Acoustic 中，作為噪聲分析的激勵。
幾何模型
圖2 模型示意圖
材料參數
，仿真過程中使用的材料為默認的結構鋼
2. 電磁力計算
圖3 1/8電機模型
分析模型為 Prius 電機的二維分析模型，建立Maxwell 2D分析流程。
打開【Workbench】->【Toolbox】->【Analysis Systems】，添加一個Maxwell 2D分析系統。
圖4 Maxwell 2D分析流程圖
導入模型以后，為了精確分析定子齒部的徑向電磁力，并將力密度的分布耦合到后續的諧響應分析中。
需要將定子齒部“分割”出來，并施加更細密的網格剖分。
展開 超高速永磁同步電機振動噪聲分析
張增杰[6]研究了小功率PMSM氣隙磁場對電機產生的振動及輻射噪聲的影響。張玉柱[7]基于MATLAB頻譜分析的分析方法研究了永磁電機噪聲聲源。朱海峰[8]對異步電機電磁激振力進行了分析。鄭江[9]研究了低速大轉矩和高速恒功率車用PMSM電磁噪聲特性。林巨廣等[10]研究了8極48槽PMSM徑向力波、噪聲來源，并說明電機噪聲受單殼體剛度、前后端蓋影響。
本文以1臺120 000 r/min的超高速PMSM為例，通過Maxwell計算定子內表面徑向和切向電磁力時域密度分布，將該力密度作為激勵源耦合到Mechanical中進行頻域的諧響應分析，并將分析結果作為激勵耦合到Harmonic Acoustic中，得到徑向力波對電磁噪聲的影響，根據電磁力波二維傅里葉變換及噪聲聲壓級云圖研究了超高速PMSM的電磁噪聲特性。
1 電機徑向力波分析
樣機的基本參數如表1所示。根據表1尺寸參數建立的電機模型如圖1所示。
表1 電機的基本參數
圖1 120 000 r/min電機模型
分析電機電磁力波的前提是準確計算出電機的氣隙磁場，獲得氣隙磁場后，利用麥克斯韋應力張量法就可推導出電機電磁力波。其計算式為
式中：Pr為電機徑向力波和切向力波;μ0為真空磁導率，μ0=4π×10-7 H/m;b(α,t)、b1(α,t)分別為氣隙磁通密度的徑向和切向分量。
定子和轉子空間諧波的次數為
式中：v、μ為定子、轉子的空間諧波次數；k=0,1,2,3，…；m1為相數。
振動階次為
振動頻率為
式中：r為力波次數；p為電機極對數；f為電源頻率；fr為振動頻率。
展開 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！
點擊報名：
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 純電動汽車電機噪聲測試與分析方法研究
人工頭在整車上的安裝情況如下圖2所示：
7號麥克風用來測量電機近場噪聲，在后期數據分析時也需要通過近場噪聲來識別來自電機的噪聲成分。8到13號加速度傳感器用來分析電機總成懸置系統的三個支撐對電機振動的隔振效果，同時可以分析乘員艙電機噪聲是來自固體聲還是空氣聲。14 號光電傳感器用來測量傳動軸的轉速，然后通過傳動比換算到電機轉速，光電傳感器的布置如圖3所示：
2.2 測量工況
根據用戶的駕駛習慣，測量工況通常包含下面四個工況。
3 電機噪聲的分析方法
3.1 電機噪聲的識別
電機噪聲主要來源于轉子不平衡及軸承振動引起的機械噪聲，散熱風扇引起的空氣動力噪聲以及電磁力引起的電磁噪聲，其中電磁噪聲是電機噪聲的主要成分，根據實際的工程案例分析，發現定子齒槽引起的齒諧波噪聲是電磁噪聲的主要成分，齒諧波噪聲的頻率：
式中，i為諧波次數，Q為齒槽數，n為電機轉速。
從公式可知，如果知道了電機定子齒槽數，就可以通過公式計算哪些頻率成分是來自電機，但對于競爭車型的電機，通常是無法獲取電機定子齒槽數，這就需要通過測試數據的分析來識別。
以某一車型的電機噪聲為案例進行分析，圖4是勻加速的工況時乘員艙左前外耳處噪聲的坎貝爾圖，橫坐標是傳動軸的轉速，通過回放得到抱怨的噪聲是541.5階的階次噪聲，首先和電機近場噪聲比較，如圖5所示，可以看出電機近場的541.5階次噪聲明顯，初步判斷此階次噪聲來自電機。
同時變速箱的傳動比通常為8到10 之間，如橫坐標轉換為電機驅動軸的轉速，則圖中的階次噪聲為54 階次到 68 階次，目前主流電機的齒槽數為48,60 和72，可判斷此階次噪聲來自60 齒槽的電機。
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 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
點擊圖片或點擊報名鏈接報名http://event.31huiyi.com/1844160010/index?c=jishulink
展開 【視頻教程】ansys教程系列之MAXwell電機靜態分析
【視頻教程】ansys教程系列之MAXwell電機靜態分析
講師：kxllost
擅長領域：電機設計、Maxwell電機電磁分析
專家檔案:http://www.yqgqt.org.cn/content/other/404433
需要視頻中ppt、工程源文件和模型文件下載地址，
請點擊：http://www.yqgqt.org.cn/content/doc/280748
歡迎留言回復或提問，有協作需要的請點擊專家主頁中的“咨詢”
這是系列視頻，后期將會有更多視頻推出，歡迎大家關注～
展開 【技術貼】基于AVL EXCITE M軟件的PWM逆變器對電機噪聲影響分析
電機作為純電動汽車的動力源，是驅動整車行駛的核心部件。而永磁同步電機因具有高功率密度、高效率、良好的轉矩特性，以及結構簡單、體積小、噪聲振動低等優點，是目前純電動汽車的主流選擇。電機作為純電動汽車的動力源，和傳統汽車一樣，是產生整車噪聲的一個主要來源。而不一樣的是和傳統汽油車相比，純電動汽車的動力源永磁同步電機產生的高頻噪聲，尖銳刺耳讓人難以忍受，影響駕駛員和乘客的身心健康。噪聲作為電機的主要質量指標之一，其噪聲的大小決定了整車的舒適性。
AVL eSUITE 軟件平臺是AVL專門針對車用電器化仿真與設計開發的平臺，力求給用戶提供完整的電氣化仿真方案。軟件集成新能源整車動力性與經濟性仿真，實現電機性能匹配集成，電機一維到三維熱管理分析，電機轉子動力學分析，電機NVH仿真計算以及整個電驅系統的NVH仿真分析。
圖1 AVL eSUITE電氣化仿真設計方案
關于電機本體以及電驅系統NVH分析，AVL eSUITE可實現基于臺架模式分析計算，無縫地實現產品試驗前的NVH校核，很大程度上減少客戶的樣件的試制成本與測試時間。對于AVL eSUITE NVH方面的詳細仿真計算，可參考往期技術貼，本期重點給大家介紹如果基于AVL eSUITE工具，實現PWM控制對電機噪聲影響分析。
02
PWM控制原理
對于永磁同步電機噪音，通用的來講可以分為低頻、中頻以及高頻階段，對于低頻噪聲往往與電機機械因素有關，中頻噪聲和電機本體結構電磁特征有關，而高頻噪音大都和變頻器控制器相關，最突出的是PWM開關頻率的電磁噪聲。
PWM引起的電機嘯叫聲在噪音或者瀑布圖上，有明顯的特征，如下圖所示顯示的傘狀圖，噪音的階次線是以PWM載波頻率為中心，左右鏡像輻射而出，類似于一把半開的雨傘。因此很容易被識別出。
展開 