如何在早期設計階段評估電驅動單元的 NVH 性能
2024-01-09
雖然電動汽車比傳統的汽油或柴油動力汽車安靜得多，但它們并非完全靜音。一些電動汽車會因電動機、輪胎和風而產生噪音。這種噪音仍然會造成噪音污染，尤其是在城市地區。
艾克賽普公司為您介紹一種系統仿真方法，用于建立專門用于噪聲和振動早期分析的模型，在早期設計階段評估電驅動單元的 NVH 性能。Simcenter Amesim 的“電機噪聲和振動 App”是一種后處理工具，能夠從 Simcenter Motorsolve 中創建的電磁模型開始，估算電機內的電磁力、振動和輻射噪聲。
一、電力驅動產生的噪音
電動機可以從兩個主要來源產生噪聲：齒槽轉矩和繞組噪聲。齒槽轉矩是由轉子中的永磁體和定子繞組之間的相互作用產生的，因為它們的輕微不對中。這會產生產生噪音的脈動力。另一方面，繞組噪聲是由定子繞組在電流通電時振動產生的。這是由洛倫茲力引起的，洛倫茲力是由繞組中的電流和轉子磁場的相互作用產生的。
同時，變頻器控制在影響電動機產生的噪聲方面起著重要作用。逆變器是電動汽車動力總成中的關鍵部件，負責調節從電池到電機的電流，控制其速度、扭矩和整體性能。然而，其開關操作的特點是快速的開關周期，可能會引入不良的噪聲排放。造成逆變器噪聲的主要機制是開關諧波。在開關過程中，逆變器產生高頻電脈沖，這些電脈沖可以輻射到周圍環境中。這些諧波可以表現為可聞噪聲，特別是在高開關頻率下。
二、電子噪聲應用程序簡介
“電機噪聲和振動應用程序”旨在快速準確地評估機器的NVH性能。評估電驅動噪聲的過程包括：
在給定的荷載工況場景中運行 Simcenter Amesim 電驅動模型在 E-Noise App 中從模擬場景中評估驅動器的噪聲和振動
根據永磁同步電機在各種負載條件下運行的空間依賴性永磁同步電機模型，以及氣隙查找表中的磁場，構建了氣隙中電磁力的預測模型。磁性信息來自 Simcenter Motorsolve 的電磁仿真結果。
該 App 創建了在各種負載條件下運行的永磁同步電機 （PMSM） 氣隙中電磁力的預測模型。這是通過使用查找表實現的，該查找表包含從 Simcenter Motorsolve 的電磁仿真結果中獲得的磁場信息。
然后，將該模型得出的力密度應用于機器整體形狀的分析和結構模型。通過這樣做，該應用程序可以預測電機外表面的平均振動水平。這些振動水平可用于計算指定距離處的輻射噪聲量。
這 4 個步驟是：
從 Simcenter Motorsolve 導出氣隙徑向和切向磁場。
從 Simcenter Motorsolve 導出用于系統級仿真的 Simcenter Amesim PMSM 空間依賴性模型。
Simcenter Amesim PMSM 電驅動模型的設置，包括變頻器和機器扭矩控制器。
使用電機噪聲和振動應用程序評估機器的聲學和振動響應
該工藝已應用于日產聆風電動動力總成附近的電驅動裝置。
三、正在調查的電動動力總成的描述
演示草圖本演示中展示的電驅動類似于日產聆風電動動力總成。
1. e-動力總成
電動動力總成使用電機、變頻器和控制裝置的動態組件。
本研究中使用的電機具有以下主要特征，如下表所示：
表1：葉狀電機主要特點
該機床的 CAD 和機床物理屬性已使用 Simcenter Motorsolve 到 Simcenter Amesim 導出解決方案進行定義。
Simcenter Amesim 模型參數輸入到具有空間依賴性的永磁體或磁阻電機的非線性模型中。該子模型可以模擬機器的電磁性能，同時考慮由于槽、繞組配置和磁體形狀而產生的磁飽和和空間諧波。
2.傳動系統
傳動系統的模型是一系列慣性和彈簧，包括：
轉子慣量
中間軸慣量和剛度
側軸
輪胎剛度
車輪慣性
整車質量
這種分解導致該傳動系統的固有頻率如下：
表2：傳動系統模式
有一個固定比為9.3的兩級減速機。該減速器的第一階段還包括傳輸誤差假設。這種傳動誤差代表了齒輪副的微觀幾何缺陷，并充當諧波激勵源。這種激勵的順序取決于齒輪副的比率和齒輪的齒數。在我們的例子中：
四、噪聲和振動分析
負載工況場景是電機的速度提升。
下圖顯示了配置類似 Leaf 的電機后 PMSM 噪聲和振動應用程序：
圖葉狀電動機配置
下面的圖顯示了類似葉片的電機振動和聲學響應：
圖葉片狀位移（左）和輻射噪聲壓力（右）
下面的 2 張圖顯示了葉狀電機力形狀 4 對振動和聲學響應的貢獻：
圖葉片狀力形狀 4 對位移（左）和輻射噪聲壓力（右）的貢獻
五、結論
在這個演示示例中，我們重點介紹了如何建立一個專用于噪聲和振動早期分析的模型。它能夠：
比較獨特的電動動力總成設計。
評估趨勢和潛在有問題的頻率，包括機械傳動系統。
通過在早期階段調整機械傳動系統配置來降低噪音和振動風險。
六、其他功能
其他功能包括：
計算和顯示高于 10 kHz 的電機 NVH 性能
以 ASCII 格式導出噪聲和振動結果
與雙星機器的兼容性
將定子的解析一維模型替換為電動動力總成系統的高保真三維模型：1. 基于有限元降階結構與聲學模型2. 允許在系統級進行非常快速的 NVH 計算（考慮控制、開關頻率,..）
圖 PMSM 噪聲和振動 App 設置過程的高級功能
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