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1 背景介绍
电机NVH是指电机在运行过程中对外表现出的噪声、振动与声振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness），其主要包括三个来源，即电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声，在这三类噪声中，电磁噪声的频率相对来说处于高频段，尤其是与驱动器开关频率相关的电磁噪声的频率刚好处于人耳最敏感的噪声频率区间，其幅值基本上决定了电机NVH的整体指标，同时相较于其他两类噪声，电磁噪声更容易通过电机电磁和机械结构的优化设计进行有效的抑制，因此电机电磁振动噪声是我们重点关注的对象。2 概述
Ansys提供了一体化、多学科、多物理场、多目标优化分析的有限元分析平台，可以精确分析并优化电机NVH性能。利用Maxwell2D/3D快速仿真电机在多转速下定/转子表面的频域电磁力并无缝链接到Workbench平台Harmonic Response模块进行多转速谐响应分析，得到电机的ERP Level
Waterfall图，用于分析电机在各转速下的谐振情况；同时多转速谐响应分析结果也可传递到Harmonic Acoustics模块进行Sound Power Level Waterfall的分析，用于进一步对电机噪声水平进行评估。电机NVH分析平台由于结果是基于多物理场耦合分析的结果，因此具有精度高的特点，灵活且易于使用，统一的模型参数化平台、优化平台，能实现数据的无缝对接。NVH分析整体步骤首先在电磁平台计算电磁性能，同时打开电磁力计算功能，电磁计算支持单转速模式及多转速模式，将电磁力分析结果耦合到谐响应分析平台进行模态及谐响应分析计算，最终将结构场得到的结果耦合到声场模块。由声场模块将电机的声学性能模拟出来。声场计算得到的结果也支持导出到Ansys VRXPERIENCE
Sound平台，VRXPERIENCE
Sound 提供了一套专注于声音感知的强大分析工具。VRXPERIENCE Sound 可通过将声音直接可视化显示，且具备单击放大控制功能，帮助为产品创建最佳声音信号。借助VRXPERIENCE Sound，可在用户面板上设立生物声学测试，并获得关于声音的真实感知统计数据。通过采用 Ansys VRXPERIENCE Sound，可以将电机的噪音在线模拟出来，提前了解电机运行过程中可能产生的电磁噪音。电磁分析模块：根据电磁时域瞬态分析计算频域电磁力。频率-速度平面上通过快速插值计算得到准确的谐波力。谐响应分析模块：计算电磁力载荷下的响应，组合不同频率及转速下的动态响应；创建并输出频域下的等效辐射功率瀑布图。谐噪声分析模块：耦合或解耦振动声学来分析辐射噪声。多转速下的频域声压级SPL瀑布图计算。声音分析模块：完成声音合成、声学分析、声音设计、心理声学指标计算、与测试结果进行比较及组合。3 电磁分析
Maxwell瞬态场求解器提供了Harmonic Force Calculation功能，该功能在后处理阶段将所选物体的时域电磁力数据转换到频率，并提供与Ansys Workbench之间的接口以实现电磁-结构谐响应分析。Maxwell与Ansys Workbench之间的接口Maxwell提供3种频域电磁力映射方式，见下表所示。
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| Element Based (Volumetric) | | | |
Maxwell中对电磁力映射方式的设置如下图所示。在Maxwell中，电磁力映射方式可参考如下进行选择。(1) 定子槽数比较多，且无斜槽、斜极时首选Maxwell 2D Object-Based。a. 不考虑边缘效应：采用Maxwell 2D Object-Based，结合Maxwell 2D Skew功能；b. 考虑边缘效应：采用Maxwell 3D Element-Based。(3) 当电机结构较复杂时，建议采用Maxwell
3D Element-Based，可更真实的反映电磁力的轴向空间分布特性。(4) 当电定子齿数较少时，尽量采用Maxwell
2D Element-Based，可更真实的反映电磁力在圆周方向的空间分布特性。本文以经典的8极48槽IPM永磁电机为例，该电机定子为直槽，因此采用Maxwell 2D Object Based方式，为了更精确的计算定子齿部集中电磁力，将定子齿尖部分单独建模，并对齿尖模型设置On Selection 剖分，对齿尖边缘处网格进行加密，最大单元长度可设置为0.1mm左右。用户需要注意的是，该电机模型为8分之1周期模型，模型在槽的轴线处分割，定子包括6个完整的齿，这样的设置便于后续电磁力的映射操作，但是在对称边界处的绕组模型只有正常的一半，因此其匝数也应设置为正常匝数的一半。将定子齿尖部分单独建模并对齿尖模型设置On Selection 剖分本文分析该电机多个转速点所组成的ERP Level瀑布图，每个转速点都对应各自的电流和电流超前角，为了实现这个目的，用户需定义三相绕组激励源。A相：Irms*sqrt(2)*sin(2*pi*Ele_freq*time-120deg*0+Gamma)；B相：Irms*sqrt(2)*sin(2*pi*Ele_freq*time-120deg*1+Gamma)；C相：Irms*sqrt(2)*sin(2*pi*Ele_freq*time-120deg*2+Gamma)。Ele_freq=Speed_Mech/1rpm*Poles/2/60；接下来插入新的Parametric设置，分别定义转速、电流、电流超前角的参数化扫描点，这里假设三个变量都是线性递增的，用户可根据实际情况设置。同时选中三个参数化定义，点击下方Sync按钮，实现三者的一一对应。然后按下图所示，设置Stop time和Time step，其中Time Step变量为每个电周期时间步数，这样的设置可以确保每个转速计算相同的电周期数和时间步数。同时在运动设置中，填入转速变量Speed_Mech。接下来在Maxwell Design点击右键开启Harmonic Force Calculation功能，在General选项卡中，执行以下操作。开启Harmonic Force Calculation功能接下来在Sample windows中进行如下设置。Number of repeated sample windows设置重复样本窗口数为2。Maxwell会将采样的电磁力复制为2个电周期，并用于DFT(Discrete Fourier
Transform)离散傅里叶变换，根据DFT理论，采样周期越多，频域下相邻频率间隔越小，即提高了频域数据分辨率，高分辨率的频域电磁力数据可以使后续谐响应分时ERP Level（等效辐射功率级）瀑布图的阶次线更明显。接下来新建Workbench工程文件，导入Maxwell工程文件，双击导入的Maxwell Design打开Maxwell 2D 窗口，此时Maxwell的Optimetrics下多出了 DefaultDesignXplorerSetup标签。新建Workbench工程文件并导入Maxwell工程文件接下来双击DefaultDesignXplorerSetup标签，在Embedded Parametrics Analysis处选择ParametricSetup1，即上面定义的转速参数化扫描设置。DefaultDesignXplorerSetup标签选择ParametricSetup1接下来在DesignXplorerSetup的Options选项卡中，软件提供了Number of interpolation
points per segment功能，该功能可对Maxwell计算的相邻转速之间的频域电磁力进行线性插值。本例设置为1，Maxwell将映射5+4=9个转速的电磁力数据到谐响应模块。然后关闭Maxwell窗口，在Workbench中Maxwell design上点击右键，选择Update，Maxwell将在后台执行参数化分析，计算多转速频域电磁力。在Workbench中Maxwell design上点击右键并选择Update- 50多年来，Ansys软件凭借其强大的仿真预测功能，助力高瞻远瞩的创新企业实现突破，展现自我。从可持续交通到先进半导体，从高精尖的卫星系统到拯救万千生命的医疗设备，Ansys始终致力于帮助客户迎接技术挑战，解决设计难题，不断引领他们超越想象，演绎精彩。Ansys正推动人类踏上全新的伟大征程。
- Ansys Maxwell大本营微信公众号由Ansys中国原厂技术团队维护，致力于与广大低频电磁场仿真用户沟通交流，提供Ansys低频电磁最新资讯，解决方案，新功能介绍，软件使用技巧（FAQ），培训教程，二次开发脚本，应用案例等。
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