如何在早期设计阶段评估电驱动单元的 NVH 性能？

虽然电动汽车比传统的汽油或柴油动力汽车安静得多，但它们并非静音。一些电动汽车会因电动机、轮胎和风而产生噪音。这种噪音仍然会造成噪音污染，尤其是在城市地区。

艾克赛普公司为您介绍一种系统仿真方法，用于建立专门用于噪声和振动早期分析的模型，在早期设计阶段评估电驱动单元的 NVH 性能。Simcenter Amesim 的“电机噪声和振动 App"是一种后处理工具，能够从 Simcenter Motorsolve 中创建的电磁模型开始，估算电机内的电磁力、振动和辐射噪声。

一、电力驱动产生的噪音

电动机可以从两个主要来源产生噪声：齿槽转矩和绕组噪声。齿槽转矩是由转子中的永磁体和定子绕组之间的相互作用产生的，因为它们的轻微不对中。这会产生产生噪音的脉动力。另一方面，绕组噪声是由定子绕组在电流通电时振动产生的。这是由洛伦兹力引起的，洛伦兹力是由绕组中的电流和转子磁场的相互作用产生的。

同时，变频器控制在影响电动机产生的噪声方面起着重要作用。逆变器是电动汽车动力总成中的关键部件，负责调节从电池到电机的电流，控制其速度、扭矩和整体性能。然而，其开关操作的特点是快速的开关周期，可能会引入不良的噪声排放。造成逆变器噪声的主要机制是开关谐波。在开关过程中，逆变器产生高频电脉冲，这些电脉冲可以辐射到周围环境中。这些谐波可以表现为可闻噪声，特别是在高开关频率下。

二、电子噪声应用程序简介

“电机噪声和振动应用程序"旨在快速准确地评估机器的NVH性能。评估电驱动噪声的过程包括：

• 1. 在给定的荷载工况场景中运行 Simcenter Amesim 电驱动模型

• 2. 在 E-Noise App 中从模拟场景中评估驱动器的噪声和振动

• 根据永磁同步电机在各种负载条件下运行的空间依赖性永磁同步电机模型，以及气隙查找表中的磁场，构建了气隙中电磁力的预测模型。磁性信息来自 Simcenter Motorsolve 的电磁仿真结果。

该 App 创建了在各种负载条件下运行的永磁同步电机 （PMSM） 气隙中电磁力的预测模型。这是通过使用查找表实现的，该查找表包含从 Simcenter Motorsolve 的电磁仿真结果中获得的磁场信息。

然后，将该模型得出的力密度应用于机器整体形状的分析和结构模型。通过这样做，该应用程序可以预测电机外表面的平均振动水平。这些振动水平可用于计算距离处的辐射噪声量。

这 4 个步骤是：

• 1. 从 Simcenter Motorsolve 导出气隙径向和切向磁场。

• 2. 从 Simcenter Motorsolve 导出用于系统级仿真的 Simcenter Amesim PMSM 空间依赖性模型。

• 3. Simcenter Amesim PMSM 电驱动模型的设置，包括变频器和机器扭矩控制器。

• 4. 使用电机噪声和振动应用程序评估机器的声学和振动响应

该工艺已应用于日产聆风电动动力总成附近的电驱动装置。

三、正在调查的电动动力总成的描述

演示草图本演示中展示的电驱动类似于日产聆风电动动力总成。

1. e-动力总成

电动动力总成使用电机、变频器和控制装置的动态组件。

本研究中使用的电机具有以下主要特征，如下表所示：

表1：叶状电机主要特点

该机床的 CAD 和机床物理属性已使用 Simcenter Motorsolve 到 Simcenter Amesim 导出解决方案进行定义。

Simcenter Amesim 模型参数输入到具有空间依赖性的永磁体或磁阻电机的非线性模型中。该子模型可以模拟机器的电磁性能，同时考虑由于槽、绕组配置和磁体形状而产生的磁饱和和空间谐波。

2.传动系统

传动系统的模型是一系列惯性和弹簧，包括：

• 1. 转子惯量

• 2. 中间轴惯量和刚度

• 3. 侧轴

• 4. 轮胎刚度

• 5. 车轮惯性

• 6. 整车质量

这种分解导致该传动系统的固有频率如下：

表2：传动系统模式

有一个固定比为9.3的两级减速机。该减速器的第一阶段还包括传输误差假设。这种传动误差代表了齿轮副的微观几何缺陷，并充当谐波激励源。这种激励的顺序取决于齿轮副的比率和齿轮的齿数。在我们的例子中：

四、噪声和振动分析

负载工况场景是电机的速度提升。

下图显示了配置类似 Leaf 的电机后 PMSM 噪声和振动应用程序：

图叶状电动机配置

下面的图显示了类似叶片的电机振动和声学响应：

图叶片状位移（左）和辐射噪声压力（右）

下面的 2 张图显示了叶状电机力形状 4 对振动和声学响应的贡献：

图叶片状力形状 4 对位移（左）和辐射噪声压力（右）的贡献

五、结论

在这个演示示例中，我们重点介绍了如何建立一个专用于噪声和振动早期分析的模型。它能够：

• 1. 比较电动动力总成设计。

• 2. 评估趋势和潜在有问题的频率，包括机械传动系统。

• 3. 通过在早期阶段调整机械传动系统配置来降低噪音和振动风险。

• 
  

六、其他功能

其他功能包括：

• 1. 计算和显示高于 10 kHz 的电机 NVH 性能

• 2. 以 ASCII 格式导出噪声和振动结果

• 3. 与双星机器的兼容性

• 将定子的解析一维模型替换为电动动力总成系统的高保真三维模型：

• 1. 基于有限元降阶结构与声学模型

• 2. 允许在系统级进行非常快速的 NVH 计算（考虑控制、开关频率,..）

图 PMSM 噪声和振动 App 设置过程的高级功能

艾克赛普公司是西门子工业软件湖南代理商，如果您对工业仿真软件有需求或任何疑问，欢迎联系我们提供免费DEMO试用和更合适的解决方案。