目前,新能源汽车电机的噪声问题变得越来越突出,电机的电磁振动噪声是设计人员研究的热点问题,而电磁振动噪声的激励源电磁力波至关重要。本文基于Motor-CAD对永磁同步电机进行电磁仿真分析并导出电机的瞬态电磁力波数据,并将电机气隙磁密导入MANATEE电机电磁噪声分析软件中进行电机的电磁振动噪声分析,从而为气隙磁密的优化提供理论依据,进而优化电机磁极设计。

Motor-CAD是全球领先的新能源汽车电机选型分析及设计软件,用于新能源汽车电机的选型匹配,优化设计,竞品分析,拆解分析等。开发至今,已被全球主要的整车生产企业、电机生产商、科研机构及高校等广泛使用。

Motor-CAD集成化软件包,可在选型、设计阶段高效地对电机进行电磁和热性能测试;软件包括:电磁(EMag)、热(Therm)和虚拟实验室(Lab)三个模块,可在几分钟内精确评估电磁和热特性。

MANATEE(Magnetic Acoustic Noise Analysis Tool for Electrical Engineering)是法国EOMYS工程开发的电机振动噪声仿真设计工具,是全球唯一一款专门应用于电机电磁-振动-噪声耦合分析设计工具。专注于计算由麦克斯韦电磁力波引起的振动噪声。得益于创新性的电磁-振动-噪声耦合算法, MANATEE可以在设计阶段帮助工程师在数分钟内快速评估电机的NVH问题,优化电机电磁、结构设计。也可以应用于出厂电机的噪声故障诊断。

工作原理

本例以宝马i3的72s12p永磁同步电机为例,对电机的电磁噪声进行分析。通过Motor-CAD与MANATEE联合优化设计与分析,为后续的降噪方案提供思路。下图所示电机的Motor-CAD模型图,内置式永磁同步电机,具体的结构参数设置在此不再赘述。

样机轴向及轴向结构图

磁密云图

电机模型,求解条件等准备完毕后,进行电磁力导出设置。下图所示为发电机模拟的具体设置步骤:

导出电磁力波数据

力波数据点数及运行计算设置

设置完成后可以得到.txt的后缀文件,包含了径向和切向力波。

生成的力波数据.txt文件

这个文件也可以通过Excel打开具体的操作步骤如下图所示。

操作步骤

下图是生成的Excel文件截图

Excel文件截图

下图是得到的电机在5000rpm、额定负载时的径向力波时间、空间的波形。空间的波形为电机气隙一个圆周上的波形;时间的波形为电机转一圈气隙中某一点的波形。

为了能够将电磁力波导入MANATEE软件中进行计算,需在Motor-CAD中计算电机气隙磁密。具体的设置方法为:

电磁力及磁密在时间和空间上点数的设置

径向、切向力波设置查看

计算完成后需要应用Motor-CAD软件的后处理功能,对电机的气隙磁密的时空数据进行具体的读写,并保存为Excel文件格式,具体的如下所示。

磁密数据读取

Br数据文件

Bt数据文件

得到的Excel格式磁密数据如下所示,并将Excel格式转化为cvs格式。在Matlab软件编译环境下,读取cvs格式的并保存为Matlab的.mat格式。为了实现上述功能我们编译了matlab M文件实现上述功能。

读取数据的部分实现

然后将.mat格式数据导入MANATEE中,利用软件中自带的结构模块计算电机定子结构模态,进而求取电机的振动噪声。

MANATEE导入磁密设置

通过MANATEE对电机的噪声进行计算可得,在空载工况下同步转速噪声值如下图所示,从图中可知在转速为2055rpm时电机的噪声最大为63.23dB。

空载工况下同步转速噪声值

应用MANATEE转速同步功能可以求取整个转速区噪声频谱,依次来确定噪声源。从图中可知,噪声较大的点主要是由0阶10、28倍频电磁力波和12阶14倍频造成的。

整个转速区噪声频谱

根据上述分析可知,0阶10倍频有磁密谐波5次、9次谐波产生,因此可以通过降低这两次磁密谐波来优化电磁力波;28倍频可由23次、5次、25次、3次产生;14倍频可由11次、3次以及13次、1次谐波产生,因此通过对上述谐波的分析可以为磁密波形的优化提供方向。

电机径向磁密及其FFT分解

1.将Motor-CAD与MANATEE进行联合仿真可以很方便的对电机的振动噪声进行仿真分析。

2.本文依托宝马i3电机为分析样机,为电机设计工程师提供了电机振动噪声分析优化的流程,并从磁密层面给出了电机振动噪声优化的方向。

3. 通过以上分析可知,合理的气隙磁密波形优化,能够在不增加结构重量及材料成本,不改变电机定子及机座结构的基础上,降低电机噪声,提高声品质。

全文PDF版

转发+添加微信,即可获得全文PDF版!

往期文章回顾: