電磁力計算軟件

1.軟件開發背景

近年來，國內新能源汽車的快速發展給電機這個傳統行業帶來了極大的發展機遇，除了關注其電磁性能外，電機的振動噪聲問題也受到越來越多的關注。電機電磁噪聲涉及電磁、結構、噪聲及信號處理等多學科，是典型的多物理場問題，這就意味著電機噪聲問題分析與解決由于它本身的特性具有天然的復雜性。有時候我們會被某個噪聲問題折騰的焦頭爛額、夜不能寐，在采取了一系列手段仍然沒有降噪效果時，此時我們對它就只能望洋興嘆了。

目前對于電機噪聲問題的解決，更多依賴于工程人員的經驗和大量的試驗。然而，這些方法存在先天不足，一是不能在設計前期預測潛在的噪聲問題；二是需要制作樣機才能驗證分析。這種事后做的改進，如同亡羊補牢，并沒有真正了解其噪聲的發生機理，解決噪聲問題不排除存在一定的運氣成分，沒有從根源上解決噪聲問題，不能做到知其然還知其所以然，下次遇到新產品開發可能還會碰到類似的噪聲問題。為了克服這些缺點，越來越多的工程人員或者科研工作趨于采用數模計算方法來預測電機的電磁噪聲，它可以幫助我們在沒有物理樣機的產品設計前期預測電機的噪聲水平，從而舍棄一些噪聲較大的設計方案，盡可能的規避一些噪聲較大的風險，從根本上解決噪聲問題，真正做到知其然還知其所以然。尤其是在新能車熱潮的帶動下，大家越來越關注電機電磁噪聲。對于純電動汽車而言，主驅電機系統就是它的心臟，它所產生的振動噪聲問題會直接影響車內的乘坐舒適性，甚至大多數時候噪聲往往成為汽車核心競爭力的主要指標之一。

那么問題來了，既然很多汽車及電機零部件廠商都在研究電機噪聲，為什么現在電機噪聲問題仍然是大家的短板或者痛點呢？現在市面上可以提供電機電磁噪聲預測的工具也是五花八門，各種分析工具或者方法也是層出不窮，這些數值仿真工具或者方法可以很好的解決我們的問題嗎？

實際上，由于電機電磁噪聲的復雜性，市面上提供的噪聲仿真工具或者方法或多或少都存在某些方面的不足，從而給我們分析電磁噪聲問題帶來以下挑戰：

（1）挑戰一：如何快速分析多工況問題的噪聲？

對于汽車的多工況實際上就是電機里面的多轉速問題，汽車行駛的工況是比較復雜的，既要求在城區道路行駛（低速、頻繁起停等），又要求在高速路上行駛（高速），同時還可能在鄉村道路行駛（顛簸路面）等等，由此帶來的噪聲發生的工況也是很復雜的，反映到電機上就是其工作的轉速工況不是固定的，負載情況也是不確定的，這里就對電機低噪聲設計提出了很高的要求，它要求在所有關注的區間內都要求噪聲滿足設計目標要求。從數值模擬的角度來講，就是說我們要把電機工作的轉速區間內的所有噪聲水平都需要預測出來，而不是僅僅預測某一個或者某幾個轉速工況的噪聲，因此，如何使用數值分析工具能夠快速、準確預測多轉速工況的噪聲問題就成為了我們面臨的挑戰。

（2）挑戰二：如何精確考慮不同斜極或者斜槽對電磁噪聲的影響？

目前很多電機為了降噪的考慮，通常被設計成斜槽或者斜極等形式，嚴格上來說，對于斜槽或者斜極的電機，電磁有限元仿真需要建立完整的三維模型，從計算成本和效率權衡出發，通常電磁仿真計算模型都被簡化為二維分段等效模型，如果從二維升級到三維模型，則其計算量將呈幾何級數增加，由原來的數小時（二維模型）增加到1個星期甚至數個星期（三維模型），有時還會出現不收斂的問題。雖然目前大部分商業電磁仿真工具可以考慮斜極或斜槽對電磁性能的影響，但不能考慮它們對電磁力及其噪聲的影響，因此，如何使用數值仿真工具準確預測斜極或斜槽對電機的電磁力及其導致的電磁噪聲問題就成為了我們面臨的挑戰。

（3）挑戰三：如何對電磁力結果進行深入分析了解其背后噪聲機理？

雖然大家可以利用目前的一些仿真工具完成某些特定噪聲的數值計算，但是對于分析結果的解讀上或者降噪優化策略上又沒有很好的指導原則。這跟電機電磁噪聲的復雜性有關，不同于一般的噪聲問題，在電機電磁噪聲問題上，由于電機電磁力的旋轉特性，導致其電磁力具有時間和空間屬性，因此對電磁力進行傅里葉分解后就具有頻率和空間階次屬性，雖然噪聲的產生一般由于共振問題產生，但是它對共振的要求又是非常苛刻的，又加上電機結構如定子的圓環特性，電機定子系統共振需要滿足兩個條件：一是電磁力激勵頻率與定子結構固有頻率匹配；二是電磁力空間力波形態與定子固有模態振型匹配，兩個條件缺一不可。因此，導致電機電磁力或噪聲機理的分析就不是那么容易的事情，不能簡單對下源頻率就了事，往往要求針對電磁力結果進行各種豐富的后處理分析如雙重（時間和空間）傅里葉變換，獲得頻域階次和空間階次結果。這樣才能深入了解電磁力分解后的成分，比如電磁力的空間和頻率成分之間的對應關系，以及分析它們跟結構之間是否產生共振，從根本上了解電磁力產生的機理，目前的商業軟件如電磁或者結構軟件基本都不具備這些功能。因此，如何使用數值仿真工具能夠深入的分析電機電磁激勵源特性也就成為了我們面臨的挑戰。

（4）挑戰四：如何考慮轉矩脈動和徑向電磁力對噪聲的貢獻量分析？

對于電機電磁噪聲而言，其主要激勵源無非就是徑向電磁力或轉矩脈動，而大家往往把關注點都集中在徑向電磁力的分析與優化上，實際工程上遇到的很多噪聲問題卻是由電機轉矩脈動導致的。這里就要求我們從理論上能否把這兩種激勵源導致的噪聲進行分離？分離的結果就可以得到轉矩或者徑向力對噪聲的貢獻量占比情況，然后就可以定位出在不同的轉速段或者轉速點由何種激勵源導致的，為我們后續的電磁噪聲優化就可以提供明確的優化方向，做到有的放矢，打蛇就要打七寸，這樣我們就會對自己的電磁噪聲優化工作做到胸有成竹、榮辱不驚。因此，如何使用數值仿真工具分析轉矩脈動或者徑向電磁力對噪聲貢獻量分析也就成為了我們面臨的挑戰。

1.電磁力計算軟件主要功能介紹

我們在多個電機降噪項目分析工程實際中不斷總結和摸索經驗，為了克服以上挑戰，開發了電機電磁力計算軟件，并在此基礎上形成了電機電磁噪聲分析流程規范，用于電機電磁噪聲的前期預測及優化分析的工程實踐中，電磁力計算軟件主要功能介紹如下：

1.1 多轉速工況噪聲快速計算功能

為了解決多轉速工況下的電機電磁噪聲問題，開發了具有階次力提取與分析功能的軟件，可分析對比不同電機電磁設計方案的電磁噪聲優劣，如通過對比某些關注階次的電磁力譜，從而診斷其引起的潛在的振動與噪聲水平，用于電機NVH問題的機理分析和優化設計。計算電機加速工況下電機振動及噪聲響應時，無需對所有轉速工況進行電磁振動計算。軟件根據在加速狀態下有限轉速工況下的電磁計算結果，首先對其它轉速下的電磁力進行插值，得到關注轉速區間不同轉速下的階次電磁力結果。然后直接加載到結構軟件如Ansys或者Nastran中進行振動求解，這樣可以只需要一次振動和聲輻射求解，就可以得到多轉速下的振動和噪聲結果。基于階次力載荷的計算流程如下：

圖2-1 基于階次力的電磁噪聲計算流程

因此，對于考慮多轉速情況下的電機噪聲問題，可以考慮采用階次力載荷加載方式極大了提高分析效率和節省時間成本。

2.2 考慮斜極或斜槽

為了克服商業軟件難以完成斜極或斜槽計算噪聲的功能，因此我們開發具備考慮斜槽或斜極提取電磁力功能的軟件，即只需要在軟件中簡單設置就可以考慮斜槽或斜極對電磁噪聲的影響，即電磁只需要進行二維求解，軟件支持目前工程應用較為常見的基于解析法或者分段法快速計算斜槽或斜極的電磁力，從而進行振動與噪聲計算。

圖2-2徑向電磁力對比（斜極和非斜極）

圖2-3轉矩對比（斜極和非斜極）

考慮斜極考慮斜極

圖2-4噪聲瀑布圖（Colormap）對比

考慮斜極后，徑向電磁力和轉矩脈動都得到了一定程度的減少，尤其是電機主要階次如48階次電磁力和轉矩脈動幅值降低較大，同時由噪聲瀑布圖中可發現，某些階次噪聲也得到了較大的降低甚至消失，而關注的48階噪聲幅值也有較大的降低。

2.3 豐富的后處理功能

為對電機電磁力機理進行深入研究，我們在電機電磁力分析軟件中增加了豐富的后處理功能，比如可以針對磁密結果和電磁力進行雙重（時間和空間）傅里葉變換，獲得頻域階次和空間階次結果；具有轉矩脈動量計算與傅里葉分解、電磁力二維時空諧波分析等功能。可以深入了解電磁力分解后的成分，比如電磁力的空間和頻率成分之間的對應關系，以及分析它們跟結構之間是否產生共振，從根本上了解電磁力產生的機理，為后續降噪分析提供科學的指導方向。比如在產品設計前期，可以直接對不同電磁方案的電磁力進行分析，然后在前期評估不同電磁方案的電磁力大小、成分及其產生機理，然后對噪聲優劣進行初步篩選評估或者排序或者提供更優的低噪聲電磁方案建議。