如何尽早对电机控制策略干预从而优化电机的NVH？

1.目的

如何在电机设计早期方便快速查看电机的振动及噪声水平，以及如何尽早对电机控制策略干预从而优化电机的NVH？Simcenter Amesim 2304新发布的e-Niose App可以完美解决此问题。

下述demo展示了在Simcenter Amesim v2304 e-Noise App中使用Leaf电机的噪声和振动分析示例。它解释了基于Simcenter Motorsolve v2021.2 或 v2022.1设置此分析的过程。它突出了电机噪声和振动应用程序的振动和声学后处理功能。

软件help：EV_TorsionalVibrationAnalysis_NissanLeafTestBench.ame

2.分析步骤综述

使用e-Noise App评估NVH响应的标准流程如下图1所示：

图 1：PMSM e-Noise App设置过程

**2.1 Motorsolve: **

1)从Motorsolve PMSM设计开始，在这里将空间谐波降阶模型导出到Amesim。

2)从相同的Motorsolve同步电机设计中，将气隙中的径向和切向磁场导出为.mat 文件。

2.2 Amesim :

3)使用电机求解降阶模型设置电驱动参数。

4)针对所需的荷载工况运行仿真。

2.3 e-Noise App:

5)启动e-Noise App。

6)选择电机别名以将应用链接到电机组件。

7)将气隙磁场数据文件加载到应用程序中。

8)定义电机参数。

9)评估气隙中的力密度并进行后处理。

10)评估和后处理结构响应。

11)评估和后处理声学响应。

12)按“确定”退出应用。

3. 设置噪声和振动分析的过程 - Motorsolve

**3.1 气隙中径向和切向磁场的数据文件 **

NVH分析所需的导出数据是径向和切向气隙磁场[T]，它是d和q定子电流[A]（Id和Iq），转子气隙角位置[度]，和转子角位置 [度] 的函数。

d和q定子电流[A]必须根据Amesim DQ坐标约定定义。

转子气隙角位置[度]是沿评估磁场的360°气隙长度的角度采样点。建议定义至少比电机齿槽大 4 倍的样本数。例如，在我们的例子中 4*48 = 192。

转子角位置[度]是一个给定d和q定子电流[A]设定点的转子机械角度采样点的数量。

**3.2 脚本处理 **

本演示附带了一个驱动Simcenter Motorsolve的python脚本，可以自动执行此任务。它由以下主要部分组成：

1)获取主要定子结构信息。噪声应用使用此数据来评估噪声应用的1D分析模型。

2)循环所有id 和iq电流设定点以评估气隙中的磁场。

3)将电机结构和气隙磁场导出为.mat 文件。

要为您自己的研究设置此脚本，您需要修改以下信息：

1)在初始化中，输入分析的电机求解文件的位置。

2)定义转子步长数（nr_steps）和气隙样品位置（nairgap_steps）。

3)定义Id 和Iq当前断点（id_breaks 和 iq_breaks），至少覆盖要分析电机的范围。

4)定义MotorSolve计算的速度精度权衡（“速度/精度权衡”）。建议使用5 或6以获得准确的结果。“1（最快）”对于快速验证模型缩减设置非常有用。

5)定义.mat 数据文件（file_name）的名称。

4. 设置噪声和振动分析的过程-Amesim模型描述

本demo中展示的电驱动类似于日产Leaf电驱动力总成。

图 2：演示草图

4.1电动动力总成

电动动力总成使用电机、转换器和控制的动态组件。有关所用建模方法的说明，请参阅demo:

$AME/demo/Libraries/EMD/PMSM_ModelComparison.ame 。

本研究中使用的电机具有下表总结的以下主要特性：

表1：Leaf电机主要特点

这台电机的CAD和电机物理属性是使用Simcenter Motorsolve到Simcenter Amesim导出的解决方案定义的。Amesim模型参数输入到 EMD3PCOEN01子模型中。该子模型能够在考虑因为槽、绕组配置和磁铁形状引起的磁饱和度和空间谐波的同时仿真电机电磁性能。

4.2传动系统

传动系统的模型相对简单，具有一系列惯量和弹簧，其中包括：

• 转子惯量
• 中间轴惯量和刚度
• 侧轴
• 轮胎刚度
• 车轮惯量
• 车辆质量

这种分解导致该传动系统的以下固有频率：

表 2：传动系统模态

有一个简单的两级减速器，固定速比为9.3。该减速器的第一级还包括传递误差假设。这种传递误差代表了齿轮副的微观几何缺陷，并充当谐波激励的来源。该激励的阶次取决于齿轮副的速比和齿轮的齿数。

在我们的例子中：

**5.设置噪声和振动分析的过程-e-Noise App **

本demo的荷载工况是电机加速场景。模型仿真完成后，您可以启动e-Noise App。使用该应用的基本工作流程是：

5.1启动应用

在Amesim 的App Space中找到并打开该工具，如下图3所示。

图 3 打开e-Noise App

5.2选择电机配置并将应用链接到电机元件

电机配置选项卡有5部分：

• 电机运行条件：

荷载条件从电机子模型中检索：速度、电流和时间荷载工况从电机子模型的Amesim 仿真中获得。此链接是在从下拉列表中选择相关子模型别名时定义的。

• 电机气隙磁场：

在此定义.mat 格式的气隙磁场数据文件。这个.mat文件包含气隙中的径向和方位磁场的信息。它还包含用于定义分析和电机结构模型的电机参数。

• 电机参数：

您在此处定义电机的物理整体形状。它定义了圆柱体的一维解析结构模型，在该模型上施加气隙中的电磁力以评估振动和噪声。导入气隙磁场时收集所需的参数，也可以直接在应用程序中设置。

1)定子槽数量

2)外定子半径 [m]

3)内定子半径 [m]

4)定子齿的高度 [m]

5)定子齿宽度 [m]

6)定子堆叠长度 [m]

7)杨氏模量 [MPa 或 Nm^2]

8)绕组质量 [kg]

9)极对编号

• 模态分析：

它显示结构参数的评估模式。每次设置或修改电机结构参数信息时，电机模式都会自动更新。

• 绘图显示：

它显示气隙中径向和切向磁场图，作为气隙位置或时间的函数。它可用于快速轻松地检查是否已导入正确的文件进行分析。

下图4显示了配置Leaf电机后的PMSM噪声和振动应用程序：

图 4：Leaf电动机配置

5.3从第二个选项卡运行计算并分析力、振动响应和声学响应

下面图5的2个图显示了类似Leaf的电机振动和声学响应：

图5：位移（左）和辐射噪声压力（右）

下面图6的2个图显示了Leaf电机力形状 4 对振动和声学响应的贡献：

图 6：力形状 4 对位移（左）和辐射噪声压力（右）的贡献

6. 结论

在此demo中，我们重点介绍了如何在设计早期设置专用于噪声和振动分析的模型。它能够：

• 比较独特的电动动力总成设计。
• 评估趋势和潜在问题频率，包括机械传动系统。
• 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。