【理论知识】从电流到噪声—电机NVH分析

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新能源车辆NVH面临的挑战

汽车行业正在进入电气化时代。有数据预测(来自BloombergNEF)，到2040年全世界将有57%的乘用车以及超过30%的客运车队都会采用电力驱动。与传统的认知有所不同的是，电力驱动的车辆并不是没有噪声的。与内燃机车辆相比，电动车总的噪声水平（我们通常用总声压级来衡量）是降低的，这点没错，特别是原来传统车辆才有的发动机那种低频轰鸣声没有了。但是，由于电机的使用，以及内燃机低频噪声消失后声学的掩蔽效应（Mask effect）也随之消失，电机和变速箱产生的电磁噪声和齿轮啸叫也就变得突出起来。除此以外，电动车中的逆变器（电池直流电转交流电的设备）会产生更高频的非零阶次噪声，该噪声与脉宽调制（Pulse Width Modulation）切换频率有关。那么如何去应对电气化对车辆NVH带来的挑战，以及减少噪声呢？

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如何在车辆的开发过程中

应对电驱系统的NVH问题

电驱系统正向开发可以大致分成系统设计、子系统设计以及部件设计三个阶段，每个阶段都可以结合仿真预测和测试验证，形成通常所说的“V”字形循环。

系统设计阶段 确定宏观参数，例如电池尺寸，电机扭矩输出，传动比，整车加速性能等。

子系统设计阶段 电驱模型进一步细化，包含控制，电力电子，电机设计（例如极对数、齿数、气隙、转子斜极等）。并进一步计算分析热损耗，逆变器策略开发等等。在这一阶段，NVH介入开发，并可进行定性分析预测。

部件详细设计阶段重点关注部件物理和几何特征以及其对NVH，耐久，可制造性等的影响。

在整个设计开发流程中，需要评估不同的性能属性对设计参数的影响，从而确保整个系统多属性的平衡。在系统设计的早期概念阶段，对系统的设计进行修改显然要容易得多。早期发现的任何缺陷都很容易解决，对项目延误和成本的影响很小。在过去，没有原型就无法评估产品设计。由于这个原型不能很早得到，任何缺陷都被用来产生显著的额外成本和交付延迟。而到了后期，由于对成本和项目时间进度的影响，一些可能的改进无法再实施。模型驱动的设计（Model-Driven Design）通过建立虚拟的系统模型，在产品原型出来之前就可以评估系统性能。从而更早地发现可能的缺陷或更好的设计方案，降低成本、减少延误并提高整体产品质量。

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子系统开发阶段

电机NVH性能评估

在子系统开发阶段，我们可以基于物理参数（宏观几何）、电机电磁模型和控制策略等估算电磁力，并结合简化的振动和噪声辐射模型，快速地评估预测电机噪声。

电磁概念模型电磁模型可以通过解析模型也可以通过电机设计工具来搭建（例如SimcenterMotorSolve等）。

其中，输入参数通常为：电流密度，电机几何，电磁设计（极数，相，齿槽，绕组方式等）以及材料属性参数。输出结果为：磁共能图（Co-energy Map）和磁链图（Flux linkage maps）。

电机系统模型通过系统仿真（例如Simcenter Amesim）,电机模型可以集成在一个多物理场的系统环境中进行分析。电机系统模型基于磁共能图以及系统控制信号可以计算电机转矩，然后结合磁链和磁通密度计算内部电磁力，也就是电磁噪声的激励源。

振动噪声模型在子系统开发阶段，可以通过简化的结构模型，并基于电机电磁力波形和结构模态振型计算电机外表面的平均振动响应，然后将电机等效成点声源计算其在空间1 m处的辐射噪声。这虽然是一种简化的近似估计，但是对早期评估不同设计方案的变化趋势以及发现潜在的问题频率（例如电机阶次频率与逆变器频率耦合）非常有益处。

电机早期设计案例如下图所示，通过改变永磁同步电机转子槽极数和定子几何来影响电机最终的振动噪声。

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详细设计阶段

电机NVH性能分析

在详细设计阶段，电机的电参数和控制策略已经冻结，我们就可以集中对电机噪声进行更精确的预测。电机噪声精确仿真包含：电机电磁场仿真，准确的结构和声学模型（部件/装配体）。

电磁场精确仿真电机系统的激励来源于转子和定子之间的磁场作用，该磁场用于产生电机转矩，同时也会导致振动和噪声问题。转子和定子交换的力取决于输送到电机的电流波形。为了获得最佳的机械性能，可以通过控制逻辑对其进行整形。因此，电磁噪声的仿真是从电机的输入电流定义开始的。一旦输入电流确定了，就可以通过有限元方法对电磁场进行仿真分析（例如Simcenter Magnet等电磁仿真软件），其目的是获得作用在转子和定子上的电磁力（密度）。当电磁力计算出来以后，就可以通过映射把激励加载到定子的结构模型上，分析结构的振动和噪声。

电机结构有限元建模在结构建模方面，由于定转子等叠层结构的特殊建造工艺和非线性特性，对于CAE模型的可靠性来说颇具挑战。建议的流程是先通过物理测试获得叠层结构的动力学特征：通过模态测试和模态分析从频率和振型两方面识别系统的主模态。然后，将定子有限元模型解耦成不同的区域，每个区域都具有正交各向异性材料特性。材料特性随后在物理边界内进行调整，以便与试验结果匹配。例如，可以利用Simcenter Heeds的优化迭代对参数进行优化。通过这种线性化的建模流程，可以保证只要物理材料和制造工艺不变，材料特性参数可以重复使用，以便适应定子尺寸的变化。

对于绕组线圈来说，由于绕组的非均匀性，其建模通常会带来额外的挑战：材料的不同，捆绑方式，不同元件之间的随机接触等。我们仍然可以通过试验结合仿真的方式，进行考虑有限模态密度的线性化有限元建模。具体来说，就是在测试数据的基础上，采用专用的线圈模型来捕捉其对定子的刚度和质量效应。

电机振动噪声仿真在获得电磁力（密度）以及验证后的电机结构模型的基础上，就可以利用声学分析工具（例如Simcenter 3D）进行结构声振耦合分析，预测电机的辐射噪声。同时，在仿真中可以通过模态贡献量分析，板块贡献量分析，有效辐射声功率（ERP）等分析手段对电机噪声的机理进行深入的解剖。进一步，电机噪声仿真模型可以结合优化分析的流程，对电机结构进行参数化的修改，预测其对辐射噪声的影响。

电机NVH性能优化前面提到的电机噪声CAE流程需要声振耦合仿真计算，对于一个典型的电机模型，如果想直接代入到优化算法中进行设计空间探索，需要消耗大量的计算资源。实际上，我们可以对整个电机NVH系统进行模型降阶（Model reduction）处理,提高分析效率。具体做法是:将电磁力进行波形空间分解（Spatial harmonics），然后分析前几阶波形（考虑的阶次越多，结果越精确，类似于结构模态）施加单位激励下，整个电机系统的振动声学响应。相当于把电机NVH系统等效成了基于电磁力波形的传递函数。这种模型降阶的方法有以下好处：1.降阶模型反映了系统对电磁力波形的敏感度。一方面，可以反馈给电机电控设计去有针对性地优化电磁载荷的电磁力波形含量；另一方面，可以反馈给结构设计去优化电机结构，降低系统对临界电磁力波形的敏感性；2.基于降阶模型，可以实现对整个电驱系统的振动噪声响应分析，包括驱动器、逆变器、微控单元、电池、变速箱等；3.由于声振模型被基于传递函数的矩阵乘法所代替，可以大大降低计算消耗，实现自动优化分析。

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总结

电机NVH性能开发可以分为概念设计阶段和详细设计阶段。在电力子系统设计阶段，定性地对NVH风险进行评估，通过设计变量优化实现多属性的平衡。在详细设计阶段，需要建立高精度的CAE模型，通过电流控制、电磁场、传动和结构各个方面对电机NVH进行设计改进预测。进一步可以利用降阶模型，实现快速的设计优化迭代。

*本文基于西门子工业软件网络课程E-MotorNVH – from electric current to noise整理编写