电机噪声优化实战：麦克马斯特大学Actran应用案例

行业挑战

交通运输行业面临很多新技术的挑战。其中，替代传统内燃机的电动动力总成虽然使得车辆更加安静，然而对噪声和振动提出新的挑战，特别是电机的设计。为了设计出性能和声学舒适度都符合预期的高效能动力设备，工程师需要采用新的方法和工具。

一般来说，扭矩是电机设计最主要的目标，使得电机在规定速度范围内能提供足够的动力。而其他的设计， 如效能分析、径向力分析、结构分析和声学分析等紧随其后。

“声学分析应该成为这个流程中的一部分而不应该是最后考虑的事情。”Berker Bilgin博士说道。电机噪声主要是由于电磁径向力引起静子结构振动产生。一旦电机设计已经完成，再想降低噪声会变得非常困难。

静子的振型和固有频率对振动辐射噪声产生影响。但是，不是所有的噪声都由结构共振产生。强的径向简谐力有时足以引起结构的振动，成为噪声的主要来源。另外，静子或者电机结构的改变，或者电力控制的变化都对电磁力有影响，因此也会改变电磁场和声学的表现。

所以，Berker Bilgin博士强调，“一个有效的电机开发流程应该包含电磁力的预测、结构和声学的分析。”

图1 . 电磁力在一个24/16牵引开关磁阻电机

MSC解决方案

过去，研究所、电机和轨道交通行业在马达开发流程中被迫制造很多物理样机，既增加了成本，又延长了交货时间。另外，由于当今的马达是高度的非线性，通过解析表达式预测径向力误差很大根本不可行。特别是对于复杂的几何外形和降噪方案更没有参考价值。这里展示了一个在Actran中进行噪声建模的案例。仿真结果分别显示在图2和图3中。仿真不仅可以减少物理样机的使用，而且可以让研究者在最后物理样机测试前能够进行更多扩展性的研究分析。

图2 . 在Actran中进行牵引马达的振动和噪声模拟

图3 . 在Actran中进行振动和噪声的仿真

全频率域的振动和噪声

麦克马斯特工程师使用Actran对电机在整个宽频域和各种转速下进行振动和声学的分析。

从2000-3000rpm到8000-10000rpm，无论什么样的应用场景何种转速，Actran结果和实验对照的准确性都让Bilgin博士团队信服。因此他们选用Actran用来分析结构的振型和声学的响应。

准确描述复杂的3维几何外形和相关的动力学特性

Actran的一个非常重要的附加值是在设计流程中可以识别出对噪声贡献最大的径向简谐力，并且可以获知是否可以在不影响扭矩的情况下得以减小。而且Actran可以处理复杂的3D几何外形，可以准确计算非常有挑战性的模态振型，特别是轴向的振型（见图4）。

图 4 . Actran中仿真的牵引16/24开关磁阻电机的模态振型

“一旦马达的振型和固有频率确定，我们就可以预测哪一阶径向力是引起主要噪声的来源，可以进一步回归到电磁设计中减小径向力。”

结果和校验

马克马斯特研究者通过将Actran引入设计流程中开发了电流控制技术。“我们不用更改马达，通过优化电流实际上就可以降低噪声，因为径向力与静子的激励有关。我们在实验中验证了这种方法可以降低开关磁阻电动机噪声。”Berker Bilgin博士说。

仿真工具的使用极大的减少了物理样机的使用，而且也使产品开发中更多更深入的分析成为可能。仿真的另外一个附加值得益于Actran的三维仿真能力，对细节进行模拟。另外，Actran可视化功能让学生们做更加深入的研究。

未来混合动力项目组CERC计划研究如何在不影响扭矩表现的前提下改变结构模态、聚焦到关注马达的电流控制或者模拟马达的阻尼比进而更准确的预测和降低电机的噪声。

图5 . 由混合动力项目CERC的研究者设计的牵引混合电车（HEV）中的24/16开关磁阻电机

图6 . 由混合动力项目CERC的研究者设计的牵引电自行车中的12/16开关磁阻电机

关于 CERC

混合动力项目中的CERC是麦克马斯特大学的一个大概有80人多学科项目的研究组，大部分是来自轨道交通行业、电动汽车、电动自行车、电动交通和航空的合作伙伴。

Berker Bilgin博士管理着这个开发高性能开关磁阻电机驱动项目组。特别感谢麦克马斯特大学Liang Jianbin博士研究生提供本文中的图片。

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