Page 35 - 《应用声学》2019年第6期
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第 38 卷 第 6 期 邓清鹏等: 基于电磁力近似算法的驱动电机 NVH 快速仿真方法 937
率为目标,对快速仿真方法的计算精度进行评价。 若需要分析电机阶次噪声或总声压在整个转
定义电磁力近似算法获得的电机声功率级误差为 速区间上随转速的变化情况,则需要沿着外特性曲
线进行多个工况的 NVH 仿真,此时本文的快速仿
∆SWL = SWL − SWL 0 , (6)
真方法则能显著发挥其提升效率的作用。这里举例
其中,SWL 是基于电磁力近似算法获得的电机辐
说明快速仿真方法提升仿真效率的效果。若对本文
射声功率,SWL 0 为基于电磁力有限元仿真获得
所述电机进行全转速段 NVH 仿真,每 200 r/min 计
的电机辐射声功率。计算恒转矩区工况 (转速低于
算一个转速工况 (转速分辨率 ∆n 为200 r/min),则
3000 r/min) 的 SWL 值时,电磁力是基于图 1 中 B
共需要获得12000/200 = 60组电磁力数据。采用有
工况的仿真电磁力结果近似计算的。计算恒功率区 限元方法逐个求解电磁力,单个工况需要 1 个单位
工况(5000 r/min < n < 6000 r/min)的SWL值时, 时间 (1 个单位时间通常大于半小时),获得全部电
电磁力是基于图 1 中 C、D 工况的仿真电磁力结果 磁力数据则需要 60 个单位时间。在相同计算资源
插值计算得到的。表 2 给出了 6 个转速工况对应的 条件下,若使用本文方法,采用电磁力时间轴缩放方
声功率级误差。参考工程中的习惯说法,表 2 中的 法计算恒转矩区不同转速的电磁力,采用工况间插
阶次概念已相对于前文 1.1 节及 1.2 节的阶次定义 值方法计算恒功率区不同转速对应的电磁力,则全
进行了调整,这里的阶次是指相对于电机转子转频 转速段只需进行 10 个转速工况的电磁场有限元分
而言的(1.1节及1.2节的i阶对应于表1中的8i阶)。 析,其他转速的电磁力全部通过快速算法近似计算,
进行汽车电驱系统的 NVH 仿真时,数值建模 获取全部电磁力数据总共只需 10个单位时间,电磁
误差是不可避免的。结构物理特性、材料参数的不 力计算效率提升为原仿真方案的 6 倍。若需要更细
确定性,结构连接边界条件的不确定性,数值离散 致的转速分辨率,如每 100 r/min 计算一组 NVH 结
误差等均会导致仿真结果与实测 NVH 结果之间的 果,则使用本文方法的电磁力计算效率将提升为原
偏差。例如,Wegerhoff 等 [12] 给出了一组典型的汽 方案的12倍。由此可见,对电机全转速段进行NVH
车电驱系统的 NVH 仿真结果,结果显示电机振动 仿真时,转速分辨率∆n 越小,本文的快速仿真方法
加速度阶次误差大约在 ±7 dB 范围内变化。本文 对效率的提升效果则越显著。
表 2 得到的电机电磁噪声声功率级的阶次误差数据
绝大部分不超过 1.5 dB,最大误差也不超过 3 dB。 4 结论
表 2 中的误差是由电磁力近似计算引入的,该误差
相对于电机系统 NVH 数值建模误差来说是一个相 本文基于电磁场、结构振动及声场有限元分析,
对小量。由此可见,本文基于电磁力近似算法的电 采用电磁力时间缩放及插值算法、电磁力到结构网
格的映射算法,实现了车用驱动电机的电磁振动及
机 NVH 仿真方法能够获得不错的仿真精度,可以
噪声的快速仿真。结论总结如下:
进行工程化应用。
(1) 电机电磁力的周期与转速成反比。在电机
表 2 声功率级误差
外特性曲线的恒转矩区,电机气隙电磁力的幅值不
Table 2 Error of sound power level
随转速变化而变化。在电机外特性曲线的恒功率区,
(单位: dB)
气隙电磁力幅值随转速增加而逐渐下降。
转速/ 噪声阶次 (2) 在恒功率区,可以基于两个转速工况的已
(r·min −1 )
8 阶 16 阶 24 阶 32 阶 40 阶 48 阶 Overall 知电磁力采用线性插值方法对转速区间内其他工
1500 0.03 −0.01 0.06 0.02 0.06 0.13 0.02 况的电磁力进行近似计算,近似计算得到的电磁力
2000 −1.26 −2.39 0.29 0.24 −1.34 0.04 −0.28 误差随着区间宽度的减小而减小。
2500 −0.04 −0.09 −0.04 0 0.05 0.01 −0.03 (3) 本文基于电磁力近似算法的电机 NVH 仿
真方法在满足一定仿真精度的前提下,可以大大节
5250 0.15 −0.55 −0.03 0.38 −0.15 2.96 0.16
省多工况仿真所需的电磁力计算时间。对电机全转
5500 0.03 0.11 0 0.01 0.05 0.48 0.03
速段进行 NVH 分析时,需要分析的转速分辨率越
5700 0 −0.05 0.01 0.05 0.06 −0.03 0
小,则该方法对仿真效率的提升效果越明显。