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新能源汽車驅(qū)動電機電磁噪聲仿真與應用

2019-06-09 23:27:27·  來源：Simcenter 3D Online  
　
0 前言近年來在汽車行業(yè)，新能源汽車是一個關注度比較高的領域，在國家政策的支持（北京，上海，深圳等城市送牌），互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的涉足，以及傳統(tǒng)汽車廠商的發(fā)力的
0 前言
近年來在汽車行業(yè)，新能源汽車是一個關注度比較高的領域，在國家政策的支持（北京，上海，深圳等城市送牌），互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的涉足，以及傳統(tǒng)汽車廠商的發(fā)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(jīng)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(fā)出了各種各種的車型，有的也已經(jīng)量產(chǎn)，大街上隨處可見。傳統(tǒng)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。
從銷售數(shù)據(jù)來看，2019年第一季度，國內(nèi)新能源車的產(chǎn)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(jīng)過萬（在汽車行業(yè)，月銷量過萬標志著是一個成功的車型）。2019年前四個月，某國產(chǎn)自主品牌新能源汽車的銷量已經(jīng)超過傳統(tǒng)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(fā)，生產(chǎn)，銷售。與傳統(tǒng)的燃油車相比，在其整個產(chǎn)品生命周期里面也會帶來各種各樣的問題。例如我們經(jīng)常提到的NVH問題。作為汽車上主要噪聲源之一的發(fā)動機被電機替代，主要噪聲來源和噪聲頻譜特性也發(fā)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(tǒng)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(fā)動機階次相關，如發(fā)動機的2階，4階等；
  • 存在潛在的共振問題，在低頻下會產(chǎn)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(chǎn)生轟鳴聲Booming；
  • 存在高頻開關頻率噪聲。
與傳統(tǒng)的燃油車相比，沒有了發(fā)動機噪聲、進排氣噪聲，從總聲壓級上來說，較傳統(tǒng)的燃油車相比，會小一些，但是由于其存在著高頻的電機噪聲，會產(chǎn)生比較差的聲品質(zhì)，影響車內(nèi)乘客的乘坐舒適性，傳統(tǒng)燃油車和電動車噪聲的噪聲頻譜圖如下圖所示。
圖3 傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)輻射噪聲。電機在正常工作情況下，由于轉(zhuǎn)子切割磁感線，使得電機定子及轉(zhuǎn)子端存在電磁力，從而激勵其定子振動，進而該振動通過定子傳遞到兩端蓋，進而向外輻射噪聲；
  • 電機風扇噪聲：由于電機工作情況下，需要對其產(chǎn)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(zhuǎn)的過程中，葉片產(chǎn)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(jié)構(gòu)噪聲：電機轉(zhuǎn)子在正常工作情況下，由于結(jié)構(gòu)動不平衡及偏心安裝、以及電機轉(zhuǎn)子端的電磁力會通過軸承傳遞給結(jié)構(gòu)殼體，引起結(jié)構(gòu)殼體振動，進而向外輻射噪聲。
在上述幾類噪聲中，電機的電磁噪聲占主要成分，因此，在新能源車驅(qū)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，也要求盡可能小的產(chǎn)生噪聲，這就需要通過一定的的手段來進行相應的分析，在保證其性能的情況下，盡可能的降低/優(yōu)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(jié)構(gòu)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(jié)果的可視化與問題查找。下面這個視頻是利用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(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)如定子槽數(shù)，槽口寬度，氣隙寬度等相關，與材料參數(shù)中定子的相對磁導率等，運動參數(shù)中的轉(zhuǎn)速，電路參數(shù)中定子繞組的通過電流大小，繞組參數(shù)里的繞組分布有關。該部分載荷隨時間/空間分布不同，可以通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仿真平臺支持Infolytica Magnet輸出的unv格式的電磁網(wǎng)格和電磁力，同時也兼容其他主流電磁分析工具輸出的unv格式的電磁網(wǎng)格和電磁力。通常情況下，為了節(jié)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，會采用2D或者對稱模型。Simcenter3D支持2D電磁網(wǎng)格和電磁力的導入，并且提供了由2D擴展到3D的工具，通過該工具可以得到三維電磁網(wǎng)格和三維電磁力。另外電磁網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格往往都是不一致的，Simcenter3D同樣提供了相應的無損映射算法（Conservative Force Mapping），將電磁載荷由電磁網(wǎng)格映射到網(wǎng)格不一致的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上，并且保證映射的精度。內(nèi)置的FFT轉(zhuǎn)化功能，可以將時域信號轉(zhuǎn)化成頻域信號，并提供完整的信號處理方法（包含樣本采樣、窗函數(shù)過濾等）。
另外針對電機行業(yè)用戶的需求，我們的資深技術支持Noah還專門開發(fā)了相應的程序可以快速的幫助客戶將電磁力從二維擴展到三維，并且做FFT轉(zhuǎn)換，可以將多轉(zhuǎn)速的二維電磁力直接轉(zhuǎn)換成Order Cut形式，從而可以實現(xiàn)在Simcenter3D中直接加載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(jié)果。
2、Simcenter3D Correlation&Update 電機結(jié)構(gòu)動力學建模及有限元模型修正
電機結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有限元模型，例如：
  • 定子鐵芯中的硅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厚的硅鋼片疊壓而成。硅鋼片的各向異性材料參數(shù)的準確性影響著最終的模態(tài)結(jié)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(wǎng)格。
  • 網(wǎng)格劃分問題。采用低階單元還是高階單元，網(wǎng)格尺寸的大?。?/li>
  • 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(zhuǎn)子的約束，以及整個電機與周圍環(huán)境的約束情況等。
由于上述幾點，影響著電機的結(jié)構(gòu)模態(tài)結(jié)果，所以在建立電機結(jié)構(gòu)有限元模型的時候，需要與試驗結(jié)果進行對標，才能保證建立的電機結(jié)構(gòu)有限元模型是準確的。這一過程可以通過Simcenter3D的Correlation相關性分析模塊進行實現(xiàn)。相關性分析的本質(zhì)是分析數(shù)值仿真模型與試驗模型的相似程度。結(jié)構(gòu)動力學屬性可以計算仿真振型與試驗振型的相關系數(shù)MAC、仿真?zhèn)骱c試驗傳函的相關系數(shù)FRAC、對模態(tài)空間做正交性檢驗，從不同側(cè)面描述和分析兩個模型的差異。
圖6 電機結(jié)構(gòu)有限元模型相關性分析
Simcenter3D Update模型修正模塊是一種計算模型相關性，并在參考模型數(shù)據(jù)的基礎上對模型進行更新，以提高仿真模型質(zhì)量的工具。通過Simcenter3D模型修正模塊，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(lián)，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。然后計算動力學特性關于不同設計參數(shù)的靈敏度，隨后就利用靈敏度信息來更新或優(yōu)化有限元模型以更好匹配真實的模型。用于靈敏度分析的參數(shù)包括材料屬性參數(shù)和單元屬性參數(shù)等，而修正模型的優(yōu)化目標可以是整個系統(tǒng)質(zhì)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。通過靈敏度分析的結(jié)果來推斷模型中需要修正的部位，并從指定參數(shù)中找出影響最大的參數(shù)。進一步通過驅(qū)動有限元求解器的優(yōu)化功能，可以完成優(yōu)化迭代過程，從而使仿真模型與試驗模型匹配。
圖7 電機結(jié)構(gòu)有限元模型修正
3、Simcenter3D Acoustics 電機輻射噪聲計算
  • 網(wǎng)格生成工具
Simcenter3D提供了外場聲學有限元網(wǎng)格快速生成工具，可以基于結(jié)構(gòu)有限元模型/幾何模型生成一個幾何包面，然后在此基礎上生成一個2D包面網(wǎng)格，并向外擴展生成一個外凸的2D包絡網(wǎng)格，在這兩個網(wǎng)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(wǎng)格。
圖8 電機聲學網(wǎng)格創(chuàng)建流程
  • 自適應階次有限元技術FEMAO.
電機系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)復雜，而且實際需求往往關心的噪聲頻率范圍很廣，高頻段達到幾千甚至上萬赫茲。對于傳統(tǒng)的有限元或者邊界元來說，復雜結(jié)構(gòu)大規(guī)模網(wǎng)格的高頻噪聲仿真對計算資源要求太高，很難實現(xiàn)。針對這一困難，西門子開發(fā)了專門的自適應階次算法（FEMAO）來解決高頻聲學問題。FEMAO會基于求解問題的頻率、流場性質(zhì)（溫度梯度、背景流動）以及聲學網(wǎng)格的尺寸自動選擇最優(yōu)的階次（通過有限元形函數(shù)），從而可以在保證求解精度的前提下大大降低網(wǎng)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
  • 聲學傳遞矢量技術ATV
Simcenter3D中的ATV（聲學傳遞矢量，原LMS專利技術）是一種聲學傳遞函數(shù)，該傳遞函數(shù)建立起輻射表面的結(jié)構(gòu)振動與輸出場點處聲壓級之間的聯(lián)系。ATV 取決于幾何形狀、網(wǎng)格密度、聲場內(nèi)的介質(zhì)特性、聲學表面的特征（阻抗和導納）、頻率和場點位置。ATV 和載荷無關，這意味著ATV技術特別適合于旋轉(zhuǎn)機械的多工況分析，如電機多轉(zhuǎn)速工況和結(jié)構(gòu)設計參數(shù)優(yōu)化。
該技術在載荷和設計參數(shù)變化的仿真計算中顯示出巨大的優(yōu)越性，因為只要不改變有限元模型的拓撲結(jié)構(gòu)就不需要重新運行聲學求解器重算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(jié)構(gòu)振動計算的時候，為了捕捉到模態(tài)共振產(chǎn)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(jié)構(gòu)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，擴展MATV（模態(tài)聲學傳遞矢量），更可以進一步的減少數(shù)據(jù)存儲量和計算時間。Simcenter3D中的ATV/MATV技術目前已經(jīng)廣泛應用到汽車/汽車零部件/家電等行業(yè)的旋轉(zhuǎn)機械中，如電機，變速箱，發(fā)動機，壓縮機等。
圖10 Simcenter3DAcoustics ATV聲學傳遞向量技術
  • 并行求解技術
Simcenter3D聲振耦合求解器支持多種并行方式，包含頻率并行（Multi Process Frequency Level）、矩陣并行（Multi ProcessMatrix Level）以及混合并行（Combined Level）。頻率的并行方式就是每一個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。矩陣并行是對方程的矩陣向量進行并行求解的方式，通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，算完后再繼續(xù)下一個頻率方程的求解。這種方式適用于內(nèi)存緊張的情況。而混合并行則是根據(jù)計算機的資源自動在頻率并行和矩陣并行之間進行切換。
另外，Simcenter3D還支持Linux服務器，可以將Simcenter3D的求解器安裝到Linux服務器上，借助于Simcenter3D的HPC高性能并行計算模塊，可以使用高達上百個核心的服務器進行聲學求解，可以大大減小計算時間。
4、Simcenter3D 計算結(jié)果可視化與問題查找
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(tài)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，允許通過在結(jié)構(gòu)的關鍵位置上更改物理特性，如增加集中質(zhì)量、剛度、阻尼等，調(diào)整結(jié)構(gòu)模態(tài)行為，并重新運算分析結(jié)果，進而判斷修改效果。由于該方法不需要利用有限元求解器對模態(tài)重新計算，所以是一個有效的評估修改結(jié)果的快速方法。
圖11 Simcenter3D聲學及結(jié)構(gòu)動力學高級NVH后處理功能
5、工程應用案例
近幾年來，國內(nèi)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，并且有多篇論文投稿到我們每年的用戶大會上，需要相關文獻的可以找我們技術支持團隊索取。
6、小結(jié)
通過西門子Simcenter工具組合可以協(xié)助客戶實現(xiàn)整個電機電磁噪聲的仿真流程，如圖所示。
  • Simcenter Magnet 電磁仿真獲取電磁力；
  • Simcenter3D Structure 結(jié)構(gòu)動力學求解器計算電機結(jié)構(gòu)振動；
  • Simcenter3D Acoustics 聲學求解器計算電機外場輻射噪聲。
圖12 通過Simcenter工具組合實現(xiàn)電機電磁噪聲仿真流程
7、展望
源-傳遞路徑-接收體（Source Transfer-Receiver）模型一直是西門子仿真與測試解決方案解決NVH問題用到的一個模型，上述案例中，對于電機電磁噪聲，是通過修改電機結(jié)構(gòu)來避免共振，抑制電機殼體振動降低電機電磁噪聲的，相當于是在傳遞路徑上進行優(yōu)化。另外一方面，我們也可以從激勵源來進行優(yōu)化，例如通過我們的Simcenter Amesim進行控制策略的優(yōu)化，在保證輸出扭矩的情況下，減小電磁力的波動，從而優(yōu)化電機電磁噪聲。
另外，現(xiàn)在的電驅(qū)系統(tǒng)的高度集成是一個發(fā)展方向，會將電機和減速器集成到一起，對于這類應用，我們會在后續(xù)內(nèi)容中再進行相應的介紹。
有人說汽車NVH是一門“玄學”，因為它是一個十分復雜且難搞的問題。但是，在解決NVH問題的道路上你不會感到孤單，西門子Simcenter仿真與測試解決方案會伴你前行。 
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