新能源汽车驱动电机电磁噪声仿真与应用

 

0 前言

 

近年来在汽车行业，新能源汽车是一个关注度比较高的领域，在国家政策的支持（北京，上海，深圳等城市送牌），互联网企业的涉足，以及传统汽车厂商的发力的情况下，推出了各种各样的新能源车，包括纯电动汽车和混动汽车。特斯拉作为全球NO.1的新能源汽车品牌，在市场上已经销售多年。造车新势力中的蔚来，乐视，华人运通，威马，零跑，小鹏等等，也都开发出了各种各种的车型，有的也已经量产，大街上随处可见。传统的造车势力也不甘示弱，纷纷推出了满足各种客户需求的车型。如上汽荣威的Marvel X，ERX5，eRX5，ei6，ei5，比亚迪的王朝系列，秦，宋，唐，元等。

 

从销售数据来看，2019年第一季度，国内新能源车的产量为30.4万辆，销量为29.9万辆，同比增长了102.7%和109.7%。其中有的车型月销量已经过万（在汽车行业，月销量过万标志着是一个成功的车型）。2019年前四个月，某国产自主品牌新能源汽车的销量已经超过传统燃油车。新能源汽车的份额呈逐年增长的趋势。                   

图1 新能源汽车份额增长趋势

 

新能源车领域正在如火如荼的进行着设计，研发，生产，销售。与传统的燃油车相比，在其整个产品生命周期里面也会带来各种各样的问题。例如我们经常提到的NVH问题。作为汽车上主要噪声源之一的发动机被电机替代，主要噪声来源和噪声频谱特性也发生了改变：

 

图2 燃油车和电动车噪声频谱图

 

从频谱图上可以看出：

• 传统的燃油车的噪声问题：

• 主要噪声能量集中在2000Hz以下；

• 主要噪声与发动机阶次相关，如发动机的2阶，4阶等；

• 存在潜在的共振问题，在低频下会产生轰鸣声Booming。

 

电动车的噪声问题：

• 主要噪声能量的频率更高；

• 主要噪声与电机阶次相关，24阶，48阶等；

• 存在潜在的共振问题，在低频下会产生轰鸣声Booming；

• 存在高频开关频率噪声。

 

与传统的燃油车相比，没有了发动机噪声、进排气噪声，从总声压级上来说，较传统的燃油车相比，会小一些，但是由于其存在着高频的电机噪声，会产生比较差的声品质，影响车内乘客的乘坐舒适性，传统燃油车和电动车噪声的噪声频谱图如下图所示。

 

图3 传统燃油车和电动车噪声频谱图对比

 

电机噪声主要包括以下几类：

 

图4 电机主要噪声源

 

• 电机电磁噪声；该部分噪声主要由电机的电机激励引起的结构辐射噪声。电机在正常工作情况下，由于转子切割磁感线，使得电机定子及转子端存在电磁力，从而激励其定子振动，进而该振动通过定子传递到两端盖，进而向外辐射噪声；

• 电机风扇噪声；由于电机工作情况下，需要对其产生的热量进行散热，因此电机往往附带有风扇对其进行冷却，风扇在旋转的过程中，叶片产生的气动噪声也直接向外辐射，影响整个电机的噪声水平；

• 电机结构噪声；电机转子在正常工作情况下，由于结构动不平衡及偏心安装、以及电机转子端的电磁力会通过轴承传递给结构壳体，引起结构壳体振动，进而向外辐射噪声。

 

在上述几类噪声中，电机的电磁噪声占主要成分，因此，在新能源车驱动电机的设计过程中，不仅要求满足其能够输出足够的动力，，也要求尽可能小的产生噪声，这就需要通过一定的的手段来进行相应的分析，在保证其性能的情况下，尽可能的降低/优化电机的辐射噪声。

 

西门子的Simcenter工具组合提供了一系列的方案，从电磁力的计算，电机结构动力学建模及模型修正，电机辐射噪声的计算，以及最终计算结果的可视化与问题查找。下面这个视频是利用Simcenter3D进行电机辐射噪声计算的流程。

 

图5 Simcenter3D电机辐射噪声计算流程

 

1 Simcenter Magnet电磁力计算

 

电机的电磁激励载荷与电机结构的几何参数如定子槽数，槽口宽度，气隙宽度等相关，与材料参数中定子的相对磁导率等，运动参数中的转速，电路参数中定子绕组的通过电流大小，绕组参数里的绕组分布有关。该部分载荷随时间/空间分布不同，可以通过西门子的电磁分析工具Simcenter Magnet来获取，如下图所示。

 

图6 Simcenter Magnet电磁分析

 

Simcenter3D仿真平台支持InfolyticaMagnet输出的unv格式的电磁网格和电磁力，同时也兼容其他主流电磁分析工具输出的unv格式的电磁网格和电磁力。通常情况下，为了节省电磁有限元分析所需要的时间，在建立电磁分析模型的时候，会采用2D或者对称模型。Simcenter3D支持2D电磁网格和电磁力的导入，并且提供了由2D扩展到3D的工具，通过该工具可以得到三维电磁网格和三维电磁力。另外电磁网格和结构网格往往都是不一致的，Simcenter3D同样提供了相应的无损映射算法（Conservative ForceMapping），将电磁载荷由电磁网格映射到网格不一致的结构网格上，并且保证映射的精度。内置的FFT转化功能，可以将时域信号转化成频域信号，并提供完整的信号处理方法（包含样本采样、窗函数过滤等）。

 

另外针对电机行业用户的需求，我们的资深技术支持Noah还专门开发了相应的程序可以快速的帮助客户将电磁力从二维扩展到三维，并且做FFT转换，可以将多转速的二维电磁力直接转换成Order Cut形式，从而可以实现在Simcenter3D中直接加载Order Cut形式的电磁力，得到电机加速工况下各Order Cut的振动，辐射噪声结果。

 

2 Simcenter 3D Correlation&Update

电机结构动力学建模及有限元模型修正

 

电机结构动力学建模也存在一些的不确定性会影响最终建立的电机结构有限元模型，例如：

• 定子铁芯中的硅钢片是各向异性材料，而且为了减少铁芯中由交变磁势引起的涡流和磁滞损耗，铁芯材料通常选用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。硅钢片的各向异性材料参数的准确性影响着最终的模态结果。 

• 定子绕组的等效。缠绕在定子上的铜线组成的绕组，在建模的时候没法按照实际情况将铜线一根根的建立出来，通常将其等效为三维实体网格。

• 网格划分问题。采用低阶单元还是高阶单元，网格尺寸的大小；

• 边界条件问题。各个零部件之间的约束情况，包括端盖与定子的约束，定子与转子的约束，以及整个电机与周围环境的约束情况等。

 

由于上述几点，影响着电机的结构模态结果，所以在建立电机结构有限元模型的时候，需要与试验结果进行对标，才能保证建立的电机结构有限元模型是准确的。这一过程可以通过Simcenter3D的Correlation相关性分析模块进行实现。相关性分析的本质是分析数值仿真模型与试验模型的相似程度。结构动力学属性可以计算仿真振型与试验振型的相关系数MAC、仿真传函与试验传函的相关系数FRAC、对模态空间做正交性检验，从不同侧面描述和分析两个模型的差异。

 

图7 电机结构有限元模型相关性分析

 

Simcenter3D Update模型修正模块是一种计算模型相关性，并在参考模型数据的基础上对模型进行更新，以提高仿真模型质量的工具。通过Simcenter3D模型修正模块，分析者可以使模型更加地接近实际。首先把有限元模型跟参考模型相关联，典型的参考模型选择就是试验模型，当然也可以选择有限元模型。然后计算动力学特性关于不同设计参数的灵敏度，随后就利用灵敏度信息来更新或优化有限元模型以更好匹配真实的模型。用于灵敏度分析的参数包括材料属性参数和单元属性参数等，而修正模型的优化目标可以是整个系统质量、某一阶相关性很差的固有频率，或者是单位载荷条件下的振动水平等。通过灵敏度分析的结果来推断模型中需要修正的部位，并从指定参数中找出影响最大的参数。进一步通过驱动有限元求解器的优化功能，可以完成优化迭代过程，从而使仿真模型与试验模型匹配。

 

图8 电机结构有限元模型修正

 

3 Simcenter 3D Acoustics 电机辐射噪声计算

 

3.1 网格生成工具

 

Simcenter3D提供了外场声学有限元网格快速生成工具，可以基于结构有限元模型/几何模型生成一个几何包面，然后在此基础上生成一个2D包面网格，并向外扩展生成一个外凸的2D包络网格，在这两个网格之间进行填充，即可生成满足声学分析要求的外场声学有限元网格。

 

图9 电机声学网格创建流程

 

3.2 自适应阶次有限元技术FEMAO

 

电机系统几何结构复杂，而且实际需求往往关心的噪声频率范围很广，高频段达到几千甚至上万赫兹。对于传统的有限元或者边界元来说，复杂结构大规模网格的高频噪声仿真对计算资源要求太高，很难实现。针对这一困难，西门子开发了专门的自适应阶次算法（FEMAO）来解决高频声学问题。FEMAO会基于求解问题的频率、流场性质（温度梯度、背景流动）以及声学网格的尺寸自动选择最优的阶次（通过有限元形函数），从而可以在保证求解精度的前提下大大降低网格量，提高声学建模和求解的效率。整个过程不需要人为的干预，完全自动，可以保证整个计算过程中用最少的自由度满足计算精度的需求。

 

图10 Simcenter3D FEMAO自适应阶次有限元

 

3.3 声学传递矢量技术ATV

 

Simcenter3D中的ATV（声学传递矢量，原LMS专利技术）是一种声学传递函数，该传递函数建立起辐射表面的结构振动与输出场点处声压级之间的联系。ATV 取决于几何形状、网格密度、声场内的介质特性、声学表面的特征（阻抗和导纳）、频率和场点位置。ATV 和载荷无关，这意味着ATV技术特别适合于旋转机械的多工况分析，如电机多转速工况和结构设计参数优化。

 

该技术在载荷和设计参数变化的仿真计算中显示出巨大的优越性，因为只要不改变有限元模型的拓扑结构就不需要重新运行声学求解器重算ATV。

 

另外一方面，从ATV曲线来看是一条平滑的曲线，这就意味着我们在计算ATV的时候用较大的频率步长如20Hz来进行计算，在结构振动计算的时候，为了捕捉到模态共振产生的峰值，我们需要用更小的频率步长如5Hz来进行计算。最终在将结构振动与ATV相乘的时候，可以将ATV进行自动插值来得到最终的声学响应。这进一步的减小了声学求解时间。

 

此外，我们还可以将ATV做进一步的推广，扩展MATV（模态声学传递矢量），更可以进一步的减少数据存储量和计算时间。Simcenter3D中的ATV/MATV技术目前已经广泛应用到汽车/汽车零部件/家电等行业的旋转机械中，如电机，变速箱，发动机，压缩机等。

 

图11 Simcenter3D AcousticsATV声学传递向量技术

 

3.4 并行求解技术

 

Simcenter3D声振耦合求解器支持多种并行方式，包含频率并行（Multi Process Frequency Level）、矩阵并行（MultiProcess Matrix Level）以及混合并行（Combined Level）。频率的并行方式就是每一个CPU计算一个方程，这样就可以同时计算多个频率下的方程，线性地提高计算效率。矩阵并行是对方程的矩阵向量进行并行求解的方式，通过矩阵分块来加快每个方程的求解速度，所有CPU都用来计算同一个方程，算完后再继续下一个频率方程的求解。这种方式适用于内存紧张的情况。而混合并行则是根据计算机的资源自动在频率并行和矩阵并行之间进行切换。

 

另外，Simcenter3D还支持Linux服务器，可以将Simcenter3D的求解器安装到Linux服务器上，借助于Simcenter3D的HPC高性能并行计算模块，可以使用高达上百个核心的服务器进行声学求解，可以大大减小计算时间。

 

4 Simcenter 3D 计算结果可视化与问题查找

 

Simcenter3D可以快速定位设计缺陷和寻找问题根源。其中包含面板声学贡献量分析、模态声学贡献量分析、传递路径分析等等。同时提供快速修改预测技术，允许通过在结构的关键位置上更改物理特性，如增加集中质量、刚度、阻尼等，调整结构模态行为，并重新运算分析结果，进而判断修改效果。由于该方法不需要利用有限元求解器对模态重新计算，所以是一个有效的评估修改结果的快速方法。

 

图12 Simcenter3D 声学及结构动力学高级NVH后处理功能

 

5 工程应用案例

 

近几年来，国内各大整车厂和汽车零部件公司都对电机电磁噪声进行了研究，并且有多篇论文投稿到我们每年的用户大会上，需要相关文献的可以找我们技术支持团队索取。

 

6 小结

通过西门子Simcenter工具组合可以协助客户实现整个电机电磁噪声的仿真流程，如图12所示。

l  Simcenter Magnet 电磁仿真获取电磁力；

l  Simcenter3D Structure 结构动力学求解器计算电机结构振动；

l  Simcenter3D Acoustics 声学求解器计算电机外场辐射噪声。

 

图13 通过Simcenter工具组合实现电机电磁噪声仿真流程

 

7 展望

 

源-传递路径-接收体（Source Transfer-Receiver）模型一直是西门子STS团队解决NVH问题用到的一个模型，上述案例中，对于电机电磁噪声，是通过修改电机结构来避免共振，抑制电机壳体振动降低电机电磁噪声的，相当于是在传递路径上进行优化。另外一方面，我们也可以从激励源来进行优化，例如通过我们的Simcenter Amesim进行控制策略的优化，在保证输出扭矩的情况下，减小电磁力的波动，从而优化电机电磁噪声。

 

图14 电机噪声优化案例

 

另外，现在的电驱系统的高度集成是一个发展方向，会将电机和减速器集成到一起，对于这类应用，我们会在后续内容中再进行相应的介绍。

 

文章来源Simcenter ECS 工程咨询服务