电磁力计算软件

1.软件开发背景

近年来，国内新能源汽车的快速发展给电机这个传统行业带来了极大的发展机遇，除了关注其电磁性能外，电机的振动噪声问题也受到越来越多的关注。电机电磁噪声涉及电磁、结构、噪声及信号处理等多学科，是典型的多物理场问题，这就意味着电机噪声问题分析与解决由于它本身的特性具有天然的复杂性。有时候我们会被某个噪声问题折腾的焦头烂额、夜不能寐，在采取了一系列手段仍然没有降噪效果时，此时我们对它就只能望洋兴叹了。

目前对于电机噪声问题的解决，更多依赖于工程人员的经验和大量的试验。然而，这些方法存在先天不足，一是不能在设计前期预测潜在的噪声问题；二是需要制作样机才能验证分析。这种事后做的改进，如同亡羊补牢，并没有真正了解其噪声的发生机理，解决噪声问题不排除存在一定的运气成分，没有从根源上解决噪声问题，不能做到知其然还知其所以然，下次遇到新产品开发可能还会碰到类似的噪声问题。为了克服这些缺点，越来越多的工程人员或者科研工作趋于采用数模计算方法来预测电机的电磁噪声，它可以帮助我们在没有物理样机的产品设计前期预测电机的噪声水平，从而舍弃一些噪声较大的设计方案，尽可能的规避一些噪声较大的风险，从根本上解决噪声问题，真正做到知其然还知其所以然。尤其是在新能车热潮的带动下，大家越来越关注电机电磁噪声。对于纯电动汽车而言，主驱电机系统就是它的心脏，它所产生的振动噪声问题会直接影响车内的乘坐舒适性，甚至大多数时候噪声往往成为汽车核心竞争力的主要指标之一。

那么问题来了，既然很多汽车及电机零部件厂商都在研究电机噪声，为什么现在电机噪声问题仍然是大家的短板或者痛点呢？现在市面上可以提供电机电磁噪声预测的工具也是五花八门，各种分析工具或者方法也是层出不穷，这些数值仿真工具或者方法可以很好的解决我们的问题吗？

实际上，由于电机电磁噪声的复杂性，市面上提供的噪声仿真工具或者方法或多或少都存在某些方面的不足，从而给我们分析电磁噪声问题带来以下挑战：

（1）挑战一：如何快速分析多工况问题的噪声？

对于汽车的多工况实际上就是电机里面的多转速问题，汽车行驶的工况是比较复杂的，既要求在城区道路行驶（低速、频繁起停等），又要求在高速路上行驶（高速），同时还可能在乡村道路行驶（颠簸路面）等等，由此带来的噪声发生的工况也是很复杂的，反映到电机上就是其工作的转速工况不是固定的，负载情况也是不确定的，这里就对电机低噪声设计提出了很高的要求，它要求在所有关注的区间内都要求噪声满足设计目标要求。从数值模拟的角度来讲，就是说我们要把电机工作的转速区间内的所有噪声水平都需要预测出来，而不是仅仅预测某一个或者某几个转速工况的噪声，因此，如何使用数值分析工具能够快速、准确预测多转速工况的噪声问题就成为了我们面临的挑战。

（2）挑战二：如何精确考虑不同斜极或者斜槽对电磁噪声的影响？

目前很多电机为了降噪的考虑，通常被设计成斜槽或者斜极等形式，严格上来说，对于斜槽或者斜极的电机，电磁有限元仿真需要建立完整的三维模型，从计算成本和效率权衡出发，通常电磁仿真计算模型都被简化为二维分段等效模型，如果从二维升级到三维模型，则其计算量将呈几何级数增加，由原来的数小时（二维模型）增加到1个星期甚至数个星期（三维模型），有时还会出现不收敛的问题。虽然目前大部分商业电磁仿真工具可以考虑斜极或斜槽对电磁性能的影响，但不能考虑它们对电磁力及其噪声的影响，因此，如何使用数值仿真工具准确预测斜极或斜槽对电机的电磁力及其导致的电磁噪声问题就成为了我们面临的挑战。

（3）挑战三：如何对电磁力结果进行深入分析了解其背后噪声机理？

虽然大家可以利用目前的一些仿真工具完成某些特定噪声的数值计算，但是对于分析结果的解读上或者降噪优化策略上又没有很好的指导原则。这跟电机电磁噪声的复杂性有关，不同于一般的噪声问题，在电机电磁噪声问题上，由于电机电磁力的旋转特性，导致其电磁力具有时间和空间属性，因此对电磁力进行傅里叶分解后就具有频率和空间阶次属性，虽然噪声的产生一般由于共振问题产生，但是它对共振的要求又是非常苛刻的，又加上电机结构如定子的圆环特性，电机定子系统共振需要满足两个条件：一是电磁力激励频率与定子结构固有频率匹配；二是电磁力空间力波形态与定子固有模态振型匹配，两个条件缺一不可。因此，导致电机电磁力或噪声机理的分析就不是那么容易的事情，不能简单对下源频率就了事，往往要求针对电磁力结果进行各种丰富的后处理分析如双重（时间和空间）傅里叶变换，获得频域阶次和空间阶次结果。这样才能深入了解电磁力分解后的成分，比如电磁力的空间和频率成分之间的对应关系，以及分析它们跟结构之间是否产生共振，从根本上了解电磁力产生的机理，目前的商业软件如电磁或者结构软件基本都不具备这些功能。因此，如何使用数值仿真工具能够深入的分析电机电磁激励源特性也就成为了我们面临的挑战。

（4）挑战四：如何考虑转矩脉动和径向电磁力对噪声的贡献量分析？

对于电机电磁噪声而言，其主要激励源无非就是径向电磁力或转矩脉动，而大家往往把关注点都集中在径向电磁力的分析与优化上，实际工程上遇到的很多噪声问题却是由电机转矩脉动导致的。这里就要求我们从理论上能否把这两种激励源导致的噪声进行分离？分离的结果就可以得到转矩或者径向力对噪声的贡献量占比情况，然后就可以定位出在不同的转速段或者转速点由何种激励源导致的，为我们后续的电磁噪声优化就可以提供明确的优化方向，做到有的放矢，打蛇就要打七寸，这样我们就会对自己的电磁噪声优化工作做到胸有成竹、荣辱不惊。因此，如何使用数值仿真工具分析转矩脉动或者径向电磁力对噪声贡献量分析也就成为了我们面临的挑战。

1.电磁力计算软件主要功能介绍

我们在多个电机降噪项目分析工程实际中不断总结和摸索经验，为了克服以上挑战，开发了电机电磁力计算软件，并在此基础上形成了电机电磁噪声分析流程规范，用于电机电磁噪声的前期预测及优化分析的工程实践中，电磁力计算软件主要功能介绍如下：

1.1 多转速工况噪声快速计算功能

为了解决多转速工况下的电机电磁噪声问题，开发了具有阶次力提取与分析功能的软件，可分析对比不同电机电磁设计方案的电磁噪声优劣，如通过对比某些关注阶次的电磁力谱，从而诊断其引起的潜在的振动与噪声水平，用于电机NVH问题的机理分析和优化设计。计算电机加速工况下电机振动及噪声响应时，无需对所有转速工况进行电磁振动计算。软件根据在加速状态下有限转速工况下的电磁计算结果，首先对其它转速下的电磁力进行插值，得到关注转速区间不同转速下的阶次电磁力结果。然后直接加载到结构软件如Ansys或者Nastran中进行振动求解，这样可以只需要一次振动和声辐射求解，就可以得到多转速下的振动和噪声结果。基于阶次力载荷的计算流程如下：

图2-1 基于阶次力的电磁噪声计算流程

因此，对于考虑多转速情况下的电机噪声问题，可以考虑采用阶次力载荷加载方式极大了提高分析效率和节省时间成本。

2.2 考虑斜极或斜槽

为了克服商业软件难以完成斜极或斜槽计算噪声的功能，因此我们开发具备考虑斜槽或斜极提取电磁力功能的软件，即只需要在软件中简单设置就可以考虑斜槽或斜极对电磁噪声的影响，即电磁只需要进行二维求解，软件支持目前工程应用较为常见的基于解析法或者分段法快速计算斜槽或斜极的电磁力，从而进行振动与噪声计算。

图2-2径向电磁力对比（斜极和非斜极）

图2-3转矩对比（斜极和非斜极）

考虑斜极考虑斜极

图2-4噪声瀑布图（Colormap）对比

考虑斜极后，径向电磁力和转矩脉动都得到了一定程度的减少，尤其是电机主要阶次如48阶次电磁力和转矩脉动幅值降低较大，同时由噪声瀑布图中可发现，某些阶次噪声也得到了较大的降低甚至消失，而关注的48阶噪声幅值也有较大的降低。

2.3 丰富的后处理功能

为对电机电磁力机理进行深入研究，我们在电机电磁力分析软件中增加了丰富的后处理功能，比如可以针对磁密结果和电磁力进行双重（时间和空间）傅里叶变换，获得频域阶次和空间阶次结果；具有转矩脉动量计算与傅里叶分解、电磁力二维时空谐波分析等功能。可以深入了解电磁力分解后的成分，比如电磁力的空间和频率成分之间的对应关系，以及分析它们跟结构之间是否产生共振，从根本上了解电磁力产生的机理，为后续降噪分析提供科学的指导方向。比如在产品设计前期，可以直接对不同电磁方案的电磁力进行分析，然后在前期评估不同电磁方案的电磁力大小、成分及其产生机理，然后对噪声优劣进行初步筛选评估或者排序或者提供更优的低噪声电磁方案建议。