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如何在早期設(shè)計(jì)階段評(píng)估電驅(qū)動(dòng)單元的 NVH 性能
2024-01-09
雖然電動(dòng)汽車比傳統(tǒng)的汽油或柴油動(dòng)力汽車安靜得多，但它們并非完全靜音。一些電動(dòng)汽車會(huì)因電動(dòng)機(jī)、輪胎和風(fēng)而產(chǎn)生噪音。這種噪音仍然會(huì)造成噪音污染，尤其是在城市地區(qū)。
艾克賽普公司為您介紹一種系統(tǒng)仿真方法，用于建立專門用于噪聲和振動(dòng)早期分析的模型，在早期設(shè)計(jì)階段評(píng)估電驅(qū)動(dòng)單元的 NVH 性能。Simcenter Amesim 的“電機(jī)噪聲和振動(dòng) App”是一種后處理工具，能夠從 Simcenter Motorsolve 中創(chuàng)建的電磁模型開始，估算電機(jī)內(nèi)的電磁力、振動(dòng)和輻射噪聲。
一、電力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的噪音
電動(dòng)機(jī)可以從兩個(gè)主要來源產(chǎn)生噪聲：齒槽轉(zhuǎn)矩和繞組噪聲。齒槽轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子中的永磁體和定子繞組之間的相互作用產(chǎn)生的，因?yàn)樗鼈兊妮p微不對(duì)中。這會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)生噪音的脈動(dòng)力。另一方面，繞組噪聲是由定子繞組在電流通電時(shí)振動(dòng)產(chǎn)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(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生的。
同時(shí)，變頻器控制在影響電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲方面起著重要作用。逆變器是電動(dòng)汽車動(dòng)力總成中的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)從電池到電機(jī)的電流，控制其速度、扭矩和整體性能。然而，其開關(guān)操作的特點(diǎn)是快速的開關(guān)周期，可能會(huì)引入不良的噪聲排放。造成逆變器噪聲的主要機(jī)制是開關(guān)諧波。在開關(guān)過程中，逆變器產(chǎn)生高頻電脈沖，這些電脈沖可以輻射到周圍環(huán)境中。這些諧波可以表現(xiàn)為可聞噪聲，特別是在高開關(guān)頻率下。
二、電子噪聲應(yīng)用程序簡(jiǎn)介
“電機(jī)噪聲和振動(dòng)應(yīng)用程序”旨在快速準(zhǔn)確地評(píng)估機(jī)器的NVH性能。評(píng)估電驅(qū)動(dòng)噪聲的過程包括：
在給定的荷載工況場(chǎng)景中運(yùn)行 Simcenter Amesim 電驅(qū)動(dòng)模型在 E-Noise App 中從模擬場(chǎng)景中評(píng)估驅(qū)動(dòng)器的噪聲和振動(dòng)
根據(jù)永磁同步電機(jī)在各種負(fù)載條件下運(yùn)行的空間依賴性永磁同步電機(jī)模型，以及氣隙查找表中的磁場(chǎng)，構(gòu)建了氣隙中電磁力的預(yù)測(cè)模型。磁性信息來自 Simcenter Motorsolve 的電磁仿真結(jié)果。
該 App 創(chuàng)建了在各種負(fù)載條件下運(yùn)行的永磁同步電機(jī) （PMSM） 氣隙中電磁力的預(yù)測(cè)模型。這是通過使用查找表實(shí)現(xiàn)的，該查找表包含從 Simcenter Motorsolve 的電磁仿真結(jié)果中獲得的磁場(chǎng)信息。
然后，將該模型得出的力密度應(yīng)用于機(jī)器整體形狀的分析和結(jié)構(gòu)模型。通過這樣做，該應(yīng)用程序可以預(yù)測(cè)電機(jī)外表面的平均振動(dòng)水平。這些振動(dòng)水平可用于計(jì)算指定距離處的輻射噪聲量。
這 4 個(gè)步驟是：
從 Simcenter Motorsolve 導(dǎo)出氣隙徑向和切向磁場(chǎng)。
從 Simcenter Motorsolve 導(dǎo)出用于系統(tǒng)級(jí)仿真的 Simcenter Amesim PMSM 空間依賴性模型。
Simcenter Amesim PMSM 電驅(qū)動(dòng)模型的設(shè)置，包括變頻器和機(jī)器扭矩控制器。
使用電機(jī)噪聲和振動(dòng)應(yīng)用程序評(píng)估機(jī)器的聲學(xué)和振動(dòng)響應(yīng)
該工藝已應(yīng)用于日產(chǎn)聆風(fēng)電動(dòng)動(dòng)力總成附近的電驅(qū)動(dòng)裝置。
三、正在調(diào)查的電動(dòng)動(dòng)力總成的描述
演示草圖本演示中展示的電驅(qū)動(dòng)類似于日產(chǎn)聆風(fēng)電動(dòng)動(dòng)力總成。
1. e-動(dòng)力總成
電動(dòng)動(dòng)力總成使用電機(jī)、變頻器和控制裝置的動(dòng)態(tài)組件。
本研究中使用的電機(jī)具有以下主要特征，如下表所示：
表1：葉狀電機(jī)主要特點(diǎn)
該機(jī)床的 CAD 和機(jī)床物理屬性已使用 Simcenter Motorsolve 到 Simcenter Amesim 導(dǎo)出解決方案進(jìn)行定義。
Simcenter Amesim 模型參數(shù)輸入到具有空間依賴性的永磁體或磁阻電機(jī)的非線性模型中。該子模型可以模擬機(jī)器的電磁性能，同時(shí)考慮由于槽、繞組配置和磁體形狀而產(chǎn)生的磁飽和和空間諧波。
2.傳動(dòng)系統(tǒng)
傳動(dòng)系統(tǒng)的模型是一系列慣性和彈簧，包括：
轉(zhuǎn)子慣量
中間軸慣量和剛度
側(cè)軸
輪胎剛度
車輪慣性
整車質(zhì)量
這種分解導(dǎo)致該傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率如下：
表2：傳動(dòng)系統(tǒng)模式
有一個(gè)固定比為9.3的兩級(jí)減速機(jī)。該減速器的第一階段還包括傳輸誤差假設(shè)。這種傳動(dòng)誤差代表了齒輪副的微觀幾何缺陷，并充當(dāng)諧波激勵(lì)源。這種激勵(lì)的順序取決于齒輪副的比率和齒輪的齒數(shù)。在我們的例子中：
四、噪聲和振動(dòng)分析
負(fù)載工況場(chǎng)景是電機(jī)的速度提升。
下圖顯示了配置類似 Leaf 的電機(jī)后 PMSM 噪聲和振動(dòng)應(yīng)用程序：
圖葉狀電動(dòng)機(jī)配置
下面的圖顯示了類似葉片的電機(jī)振動(dòng)和聲學(xué)響應(yīng)：
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(jī)力形狀 4 對(duì)振動(dòng)和聲學(xué)響應(yīng)的貢獻(xiàn)：
圖葉片狀力形狀 4 對(duì)位移（左）和輻射噪聲壓力（右）的貢獻(xiàn)
五、結(jié)論
在這個(gè)演示示例中，我們重點(diǎn)介紹了如何建立一個(gè)專用于噪聲和振動(dòng)早期分析的模型。它能夠：
比較獨(dú)特的電動(dòng)動(dòng)力總成設(shè)計(jì)。
評(píng)估趨勢(shì)和潛在有問題的頻率，包括機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。
通過在早期階段調(diào)整機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)配置來降低噪音和振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。
六、其他功能
其他功能包括：
計(jì)算和顯示高于 10 kHz 的電機(jī) NVH 性能
以 ASCII 格式導(dǎo)出噪聲和振動(dòng)結(jié)果
與雙星機(jī)器的兼容性
將定子的解析一維模型替換為電動(dòng)動(dòng)力總成系統(tǒng)的高保真三維模型：1. 基于有限元降階結(jié)構(gòu)與聲學(xué)模型2. 允許在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行非常快速的 NVH 計(jì)算（考慮控制、開關(guān)頻率,..）
圖 PMSM 噪聲和振動(dòng) App 設(shè)置過程的高級(jí)功能
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