新能源汽車驅動電機電磁噪聲模擬與應用

0 前言

近年來在汽車行業，新能源汽車是一個關注度比較高的領域，在國家政策的支援（北京，上海，深圳等城市送牌），網際網路企業的涉足，以及傳統汽車廠商的發力的情況下，推出了各種各樣的新能源車，包括純電動汽車和混動汽車。特斯拉作為全球NO。1的新能源汽車品牌，在市場上已經銷售多年。造車新勢力中的蔚來，樂視，華人運通，威馬，零跑，小鵬等等，也都開發出了各種各種的車型，有的也已經量產，大街上隨處可見。傳統的造車勢力也不甘示弱，紛紛推出了滿足各種客戶需求的車型。如上汽榮威系列Marvel X，ERX5，eRX5，ei6等，比亞迪的王朝系列，秦，宋，唐，元等。

從銷售資料來看，2019年第一季度，國內新能源車的產量為30。4萬輛，銷量為29。9萬輛，同比增長了102。7%和109。7%。其中有的車型月銷量已經過萬（在汽車行業，月銷量過萬標誌著是一個成功的車型）。2019年前四個月，某國產自主品牌新能源汽車的銷量已經超過傳統燃油車。新能源汽車的份額呈逐年增長的趨勢。

圖1 新能源汽車份額增長趨勢

新能源車領域正在如火如荼的進行著設計，研發，生產，銷售。與傳統的燃油車相比，在其整個產品生命週期裡面也會帶來各種各樣的問題。例如我們經常提到的NVH問題。作為汽車上主要噪聲源之一的發動機被電機替代，主要噪聲來源和噪聲頻譜特性也發生了改變：

圖2 燃油車和電動車噪聲頻譜圖

從頻譜圖上可以看出：

傳統燃油車的噪聲問題：

主要噪聲能量集中在2000Hz以下；

主要噪聲與發動機階次相關，如發動機的2階，4階等；

存在潛在的共振問題，在低頻下會產生轟鳴聲Booming。

電動車的噪聲問題：

主要噪聲能量的頻率更高；

主要噪聲與電機階次相關，24階，48階等；

存在潛在的共振問題，在低頻下會產生轟鳴聲Booming；

存在高頻開關頻率噪聲。

與傳統的燃油車相比，沒有了發動機噪聲、進排氣噪聲，從總聲壓級上來說，較傳統的燃油車相比，會小一些，但是由於其存在著高頻的電機噪聲，會產生比較差的聲品質，影響車內乘客的乘坐舒適性，傳統燃油車和電動車噪聲的噪聲頻譜圖如下圖所示。

圖3 傳統燃油車和電動車噪聲頻譜圖對比

電機噪聲主要包括以下幾類：

圖4 電機主要噪聲源

電機電磁噪聲：該部分噪聲主要由電機的電機激勵引起的結構輻射噪聲。電機在正常工作情況下，由於轉子切割磁感線，使得電機定子及轉子端存在電磁力，從而激勵其定子振動，進而該振動透過定子傳遞到兩端蓋，進而向外輻射噪聲；

電機風扇噪聲：由於電機工作情況下，需要對其產生的熱量進行散熱，因此電機往往附帶有風扇對其進行冷卻，風扇在旋轉的過程中，葉片產生的氣動噪聲也直接向外輻射，影響整個電機的噪聲水平；

電機結構噪聲：電機轉子在正常工作情況下，由於結構動不平衡及偏心安裝、以及電機轉子端的電磁力會透過軸承傳遞給結構殼體，引起結構殼體振動，進而向外輻射噪聲。

在上述幾類噪聲中，電機的電磁噪聲佔主要成分，因此，在新能源車驅動電機的設計過程中，不僅要求滿足其能夠輸出足夠的動力，也要求儘可能小的產生噪聲，這就需要透過一定的的手段來進行相應的分析，在保證其效能的情況下，儘可能的降低/最佳化電機的輻射噪聲。

西門子的Simcenter工具組合提供了一系列的方案，從電磁力的計算，電機結構動力學建模及模型修正，電機輻射噪聲的計算，以及最終計算結果的視覺化與問題查詢。下面這個影片是利用Simcenter3D進行電機輻射噪聲計算的流程。

1、Simcenter Magnet電磁力計算

電機的電磁激勵載荷與電機結構的幾何引數如定子槽數，槽口寬度，氣隙寬度等相關，與材料引數中定子的相對磁導率等，運動引數中的轉速，電路引數中定子繞組的透過電流大小，繞組引數裡的繞組分佈有關。該部分載荷隨時間/空間分佈不同，可以透過西門子的電磁分析工具Simcenter Magnet來獲取，如下圖所示。

圖5 Simcenter Magnet電磁分析

Simcenter3D模擬平臺支援Infolytica Magnet輸出的unv格式的電磁網格和電磁力，同時也相容其他主流電磁分析工具輸出的unv格式的電磁網格和電磁力。通常情況下，為了節省電磁有限元分析所需要的時間，在建立電磁分析模型的時候，會採用2D或者對稱模型。Simcenter3D支援2D電磁網格和電磁力的匯入，並且提供了由2D擴充套件到3D的工具，透過該工具可以得到三維電磁網格和三維電磁力。另外電磁網格和結構網格往往都是不一致的，Simcenter3D同樣提供了相應的無損對映演算法（Conservative Force Mapping），將電磁載荷由電磁網格對映到網格不一致的結構網格上，並且保證對映的精度。內建的FFT轉化功能，可以將時域訊號轉化成頻域訊號，並提供完整的訊號處理方法（包含樣本取樣、窗函式過濾等）。

另外針對電機行業使用者的需求，我們的資深技術支援Noah還專門開發了相應的程式可以快速的幫助客戶將電磁力從二維擴充套件到三維，並且做FFT轉換，可以將多轉速的二維電磁力直接轉換成Order Cut形式，從而可以實現在Simcenter3D中直接載入Order Cut形式的電磁力，得到電機加速工況下各Order Cut的振動，輻射噪聲結果。

2、Simcenter3D Correlation&Update 電機結構動力學建模及有限元模型修正

電機結構動力學建模是也存在一些的不確定性會影響最終建立的電機結構有限元模型，例如：

定子鐵芯中的矽鋼片是各向異性材料，而且為了減少鐵芯中由交變磁勢引起的渦流和磁滯損耗，鐵芯材料通常選用0。5mm厚的矽鋼片疊壓而成。矽鋼片的各向異性材料引數的準確性影響著最終的模態結果。

定子繞組的等效。纏繞在定子上的銅線組成的繞組，在建模的時候沒法按照實際情況將銅線一根根的建立出來，通常將其等效為三維實體網格。

網格劃分問題。採用低階單元還是高階單元，網格尺寸的大小；

邊界條件問題。各個零部件之間的約束情況，包括端蓋與定子的約束，定子與轉子的約束，以及整個電機與周圍環境的約束情況等。

由於上述幾點，影響著電機的結構模態結果，所以在建立電機結構有限元模型的時候，需要與試驗結果進行對標，才能保證建立的電機結構有限元模型是準確的。這一過程可以透過Simcenter3D的Correlation相關性分析模組進行實現。相關性分析的本質是分析數值模擬模型與試驗模型的相似程度。結構動力學屬性可以計算模擬振型與試驗振型的相關係數MAC、模擬傳函與試驗傳函的相關係數FRAC、對模態空間做正交性檢驗，從不同側面描述和分析兩個模型的差異。

圖6 電機結構有限元模型相關性分析

Simcenter3D Update模型修正模組是一種計算模型相關性，並在參考模型資料的基礎上對模型進行更新，以提高模擬模型質量的工具。透過Simcenter3D模型修正模組，分析者可以使模型更加地接近實際。首先把有限元模型跟參考模型相關聯，典型的參考模型選擇就是試驗模型，當然也可以選擇有限元模型。然後計算動力學特性關於不同設計引數的靈敏度，隨後就利用靈敏度資訊來更新或最佳化有限元模型以更好匹配真實的模型。用於靈敏度分析的引數包括材料屬性引數和單元屬性引數等，而修正模型的最佳化目標可以是整個系統質量、某一階相關性很差的固有頻率，或者是單位載荷條件下的振動水平等。透過靈敏度分析的結果來推斷模型中需要修正的部位，並從指定引數中找出影響最大的引數。進一步透過驅動有限元求解器的最佳化功能，可以完成最佳化迭代過程，從而使模擬模型與試驗模型匹配。

圖7 電機結構有限元模型修正

3、Simcenter3D Acoustics 電機輻射噪聲計算

網格生成工具

Simcenter3D提供了外場聲學有限元網格快速生成工具，可以基於結構有限元模型/幾何模型生成一個幾何包面，然後在此基礎上生成一個2D包面網格，並向外擴充套件生成一個外凸的2D包絡網格，在這兩個網格之間進行填充，即可生成滿足聲學分析要求的外場聲學有限元網格。

圖8 電機聲學網格建立流程

自適應階次有限元技術FEMAO。

電機系統幾何結構複雜，而且實際需求往往關心的噪聲頻率範圍很廣，高頻段達到幾千甚至上萬赫茲。對於傳統的有限元或者邊界元來說，複雜結構大規模網格的高頻噪聲模擬對計算資源要求太高，很難實現。針對這一困難，西門子開發了專門的自適應階次演算法（FEMAO）來解決高頻聲學問題。FEMAO會基於求解問題的頻率、流場性質（溫度梯度、背景流動）以及聲學網格的尺寸自動選擇最優的階次（透過有限元形函式），從而可以在保證求解精度的前提下大大降低網格量，提高聲學建模和求解的效率。整個過程不需要人為的干預，完全自動，可以保證整個計算過程中用最少的自由度滿足計算精度的需求。

圖9 Simcenter3DFEMAO自適應階次有限元

聲學傳遞向量技術ATV

Simcenter3D中的ATV（聲學傳遞向量，原LMS專利技術）是一種聲學傳遞函式，該傳遞函式建立起輻射表面的結構振動與輸出場點處聲壓級之間的聯絡。ATV 取決於幾何形狀、網格密度、聲場內的介質特性、聲學表面的特徵（阻抗和導納）、頻率和場點位置。ATV 和載荷無關，這意味著ATV技術特別適合於旋轉機械的多工況分析，如電機多轉速工況和結構設計引數最佳化。

該技術在載荷和設計引數變化的模擬計算中顯示出巨大的優越性，因為只要不改變有限元模型的拓撲結構就不需要重新執行聲學求解器重算ATV。

另外一方面，從ATV曲線來看是一條平滑的曲線，這就意味著我們在計算ATV的時候用較大的頻率步長如20Hz來進行計算，在結構振動計算的時候，為了捕捉到模態共振產生的峰值，我們需要用更小的頻率步長如5Hz來進行計算。最終在將結構振動與ATV相乘的時候，可以將ATV進行自動插值來得到最終的聲學響應。這進一步的減小了聲學求解時間。

此外，我們還可以將ATV做進一步的推廣，擴充套件MATV（模態聲學傳遞向量），更可以進一步的減少資料儲存量和計算時間。Simcenter3D中的ATV/MATV技術目前已經廣泛應用到汽車/汽車零部件/家電等行業的旋轉機械中，如電機，變速箱，發動機，壓縮機等。

圖10 Simcenter3DAcoustics ATV聲學傳遞向量技術

並行求解技術

Simcenter3D聲振耦合求解器支援多種並行方式，包含頻率並行（Multi Process Frequency Level）、矩陣並行（Multi ProcessMatrix Level）以及混合並行（Combined Level）。頻率的並行方式就是每一個CPU計算一個方程，這樣就可以同時計算多個頻率下的方程，線性地提高計算效率。矩陣並行是對方程的矩陣向量進行並行求解的方式，透過矩陣分塊來加快每個方程的求解速度，所有CPU都用來計算同一個方程，算完後再繼續下一個頻率方程的求解。這種方式適用於記憶體緊張的情況。而混合並行則是根據計算機的資源自動在頻率並行和矩陣並行之間進行切換。

另外，Simcenter3D還支援Linux伺服器，可以將Simcenter3D的求解器安裝到Linux伺服器上，藉助於Simcenter3D的HPC高效能平行計算模組，可以使用高達上百個核心的伺服器進行聲學求解，可以大大減小計算時間。

4、Simcenter3D 計算結果視覺化與問題查詢

Simcenter3D可以快速定位設計缺陷和尋找問題根源。其中包含面板聲學貢獻量分析、模態聲學貢獻量分析、傳遞路徑分析等等。同時提供快速修改預測技術，允許透過在結構的關鍵位置上更改物理特性，如增加集中質量、剛度、阻尼等，調整結構模態行為，並重新運算分析結果，進而判斷修改效果。由於該方法不需要利用有限元求解器對模態重新計算，所以是一個有效的評估修改結果的快速方法。

圖11 Simcenter3D聲學及結構動力學高階NVH後處理功能

5、工程應用案例

近幾年來，國內各大整車廠和汽車零部件公司都對電機電磁噪聲進行了研究，並且有多篇論文投稿到我們每年的使用者大會上，需要相關文獻的可以找我們技術支援團隊索取。

6、小結

透過西門子Simcenter工具組合可以協助客戶實現整個電機電磁噪聲的模擬流程，如圖所示。

Simcenter Magnet 電磁模擬獲取電磁力；

Simcenter3D Structure 結構動力學求解器計算電機結構振動；

Simcenter3D Acoustics 聲學求解器計算電機外場輻射噪聲。

圖12 透過Simcenter工具組合實現電機電磁噪聲模擬流程

7、展望

源-傳遞路徑-接收體（Source Transfer-Receiver）模型一直是西門子模擬與測試解決方案解決NVH問題用到的一個模型，上述案例中，對於電機電磁噪聲，是透過修改電機結構來避免共振，抑制電機殼體振動降低電機電磁噪聲的，相當於是在傳遞路徑上進行最佳化。另外一方面，我們也可以從激勵源來進行最佳化，例如透過我們的Simcenter Amesim進行控制策略的最佳化，在保證輸出扭矩的情況下，減小電磁力的波動，從而最佳化電機電磁噪聲。

另外，現在的電驅系統的高度整合是一個發展方向，會將電機和減速器整合到一起，對於這類應用，我們會在後續內容中再進行相應的介紹。

有人說汽車NVH是一門“玄學”，因為它是一個十分複雜且難搞的問題。但是，在解決NVH問題的道路上你不會感到孤單，西門子Simcenter模擬與測試解決方案會伴你前行。