CN112560302A - 一种永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法。获取稳态下对应的转速二维定子上的时域电磁力；获取稳态转速下对应的转速下的三维定子电磁网格上的时域电磁力；获取稳态转速下对应的转速下定子三维结构网格上的频域电磁力；获取电机整机的模态；通过模态叠加法获取转速下的电机振动响应；使用边界元法获取稳态下对应的转速下的电磁噪声声压级；通过稳态转速数据集、电磁噪声辐射声压级数据集构建矩阵，对电磁噪声辐射声压级数据集和稳态下对应的转速数据集进行数据处理，得到永磁同步电机加速工况下的电磁辐射colomap图。本发明所提方法适用于永磁同步电机加速工况下电磁噪声辐射的预测以及故障噪声的诊断。

Description

一种永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法

技术领域

本发明涉及一种永磁电机电磁噪声仿真计算方法，尤其是一种永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法。

背景技术

随着节约能源和保护环境意识的提高，纯电动新能源汽车越来越多，永磁同步电机因为其调速范围广、转矩效率高，常被作为新能源汽车的驱动电机。但是没有传统发动机噪声的遮掩，电机的高频电磁噪声在驾驶舱会更加的明显，特别是加速工况下电机产生的啸叫声，让驾驶人员和乘客难以接受，影响舒适性。电磁力激励定子引起定子发生形变，并传递给电机壳体发出的电磁辐射噪声是电机噪声的主要来源。因此有必要对永磁同步电机加速工况下电磁噪声进行研究。

准确获取加速工况下定子受到的电磁力是计算永磁同步电机加速工况下电磁噪声的前提，但是获取加速工况下定子上所受的电磁力技术手段并不成熟，所以目前大多数研究计算的都是稳态工况下永磁同步电机电磁噪声辐射，不能得到加速工况下永磁同步电机噪声频谱情况，不利于永磁同步电机各种工况下NVH性能的评价，以及故障的诊断。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足而提出了一种永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法，包括以下步骤：

步骤1：获取稳态下对应的转速二维定子上的时域电磁力；

步骤1所述稳态转速数据集为：

R₁,R₂,...,R_K

i∈[1,K]

其中，R_i为第i个稳态下对应的转速，K为稳态的数量；

建立二维电机模型，包括定子、转子、永磁体、绕组；

设置定子、转子材料为35W270，设置绕组材料为copper,设置永磁体材料为N38UH80C，设置永磁同步电机转速为R_i以及三相电流源给绕组通电；

使用TAU方法对网格进行划分，划分后的网格为(x_i,y_i)；

设置分析步长，根据公式

获取稳态下对应的转速二维定子上的时域电磁力；

其中，p为电磁力,单位为N；s为定子齿部的面积,单位为m^²；b(θ,t)为气隙磁通密度，μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π*10^-7H/m，t为时间之间相对角度,θ为定转子之间相对角度；

步骤2：获取稳态转速下对应的转速下的三维定子电磁网格上的时域电磁力；

步骤2所述稳态转速为：

R₁,R₂,...,R_K

i∈[1,K]

其中，R_i为第i个稳态下对应的转速，K为稳态的数量；

赋予电机轴向长度和网格大小,通过soild map方法将二维网格拉伸为三维网格进行拉升，形成三维网格即(x_j,y_j,z_j)，j∈[1,M]，M为网格的数量(网格数量应该是指将网格按网格大小划分之后的单元数量，这个定子结构由几万个)；

按照电机轴向长度和网格大小，三维网格中第j个网格即(x_j,y_j,z_j)分为多层，将第i个稳态下对应的转速即R_i对应的电磁网格(x_j,y_j)上的时域电磁力赋予到网格(x_j,y_j,z_j)每一层上；

步骤3：获取稳态转速下对应的转速下定子三维结构网格上的频域电磁力；

所述的步骤3具体包括以下步骤:

建立电机整机的三维模型，包括三维定子、转子、永磁体、绕组，电机壳体，轴承；

赋予电机整机各部分的材料属性；

划分网格设置定子和电机壳体为接触关系，绕组和定子为绑定关系，永磁体和转子为绑定关系，转子和电机壳体为绑定关系；

通过最大距离算法，根据一个源电磁网格节点，找寻四个结构网格节点的方法，将时域电磁力映射到三维定子结构网格。

将映射到三维定子结构网格后的时域电磁力，通过傅里叶变换转为定子三维结构网格上的频域电磁力。

步骤4：获取电机整机的模态；

所述的步骤4具体包括以下步骤:

采用Block lanczos法获取电机的模态参数如固有频率和振型。

步骤5：通过模态叠加法获取R_i转速下的电机振动响应V_i；

所述的步骤5具体包括以下步骤:

步骤5.1，将电机三维模型设置为固定约束。

步骤5.2，输入模态参数和三维定子结构网格上的频域电磁力，使用模态叠加法计算电机壳体振动响应V_i。

步骤6：使用边界元法获取稳态下对应的转速下的电磁噪声声压级；

所述的步骤6具体包括以下步骤:

提取电机整机有限元模型的面网格作为声学边界元网格，在边界元网格外部根据iso3744建立采集声压的场点网格；

将稳态下对应的转速下通过模态叠加法得到的电机壳体表面振动位移数据集，使用最大距离算法，分别转移到声学边界元网格；

运用边界元法获取稳态下对应的转速下电磁噪声辐射声压级数据集。

所述电机壳体表面振动位移数据集为:V₁,V₂,...,V_k

i∈[1,K]

所述电磁噪声辐射声压级数据集为：

W₁,W₂,...,W_K

W_i＝(P_i,x,F_i,x)

i∈[1,K]

x∈[1,L]

其中，K为稳态的数量，L为声压级曲线上点的数量，W_i为第i个稳态下对应的转速的电磁噪声辐射声压级，P_i,x为第i个稳态下对应的转速的电磁噪声辐射声压级的声压，F_i,x第i个稳态下对应的转速的电磁噪声辐射声压级的频率；

步骤7：通过稳态转速数据集、电磁噪声辐射声压级数据集构建矩阵，对电磁噪声辐射声压级数据集和稳态下对应的转速数据集进行数据处理，得到永磁同步电机加速工况下的电磁辐射colomap图；

所述的步骤7具体包括以下步骤:

步骤7所述通过稳态转速数据集、电磁噪声辐射声压级数据集构建矩阵为：

其中，R_i为第i个稳态下对应的转速，P_i,x为第i个稳态下对应的转速的电磁噪声辐射声压级的声压，F_i,x第i个稳态下对应的转速的电磁噪声辐射声压级的频率，i∈[1,K]，x∈[1,L]，K为稳态的数量，L为声压级曲线上点的数量；

将矩阵即A中第一列至第三列数据分别依次转换为L行、K列的第一矩阵、L行、K列的第二矩阵、L行、K列的第三矩阵；

所述第一矩阵定义为F；

所述第二矩阵定义为R；

所述第三矩阵定义为P；

将所述的第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵通过surf函数构建电机加速工况下电磁colormap图。

与现有技术相比，本发明提供了一种永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法，运用本发明可以准确的得到永磁同步电机加速工况下的电磁噪声频谱colormap图，为永磁同步电机设计阶段的NVH奠定了基础。

附图说明

图1为一种永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法的流程图；

图2为永磁同步电机二维有限元模型图；

图3为永磁同步电机定子二维电磁网格上电磁力分布图；

图4为永磁同步电机定子三维电磁网格上电磁力分布图；

图5为永磁同步电机模态振型云图；

图6为永磁同步电机壳体振动响应云图；

图7为永磁同步电机电磁噪声辐射云图；

图8为永磁同步电机加速工况下仿真计算得到的电磁噪声辐射colormap图；

图9为永磁同步电机加速工况下试验采集的永磁同步电机噪声colormap图；

图10为永磁同步电机加速工况下试验和仿真计算阶次噪声对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本方面技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

针对某型10极60槽永磁同步电机，进行本发明的试验。

图1提供了一种永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法的流程，电磁力、电机模态、电机振动响应、电磁噪声辐射、加速工况下电磁噪声辐射colormap，试验加速工况对比图分别采用Maxwell、Hypermesh、LMS Virtual.lab、Matlab以及LMS Test.lab软件进行仿真和试验，

下面结合图1至图10介绍本发明的具体实施方式，包括以下具体实施步骤：

步骤1：获取稳态下对应的转速二维定子上的时域电磁力，该步骤在Maxwell软件电磁仿真模块完成；

步骤1所述稳态转速数据集为：

R₁,R₂,...,R_K

i∈[1,K]

其中，R_i为第i个稳态下对应的转速，K＝16为稳态的数量，本次转速范围为500-8000rpm；

建立二维电机模型，包括定子、转子、永磁体、绕组；

设置定子、转子材料为35W270，设置绕组材料为copper,设置永磁体材料为N38UH80C，设置永磁同步电机转速为R_i以及三相电流源给绕组通电；

使用TAU方法对网格进行划分，划分后的网格为(x_i,y_i)如图2所示；

设置分析步长，根据公式

获取稳态下对应的转速二维定子上的时域电磁力，如图3所示；

其中，p为电磁力,单位为N；s为定子齿部的面积,单位为m^²；b(θ,t)为气隙磁通密度，μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π*10^-7H/m，t为时间之间相对角度,θ为定转子之间相对角度；

步骤2：获取稳态转速下对应的转速下的三维定子电磁网格上的时域电磁力，该步骤在LMS Virtual.lab中的Acoustic Harmonic FEM模块完成；

步骤2所述稳态转速为：

R₁,R₂,...,R_K

i∈[1,K]

其中，R_i为第i个稳态下对应的转速，K＝16为稳态的数量；

赋予电机轴向长度和网格大小,通过soild map方法将二维网格拉伸为三维网格进行拉升，形成三维网格即(x_j,y_j,z_j)，j∈[1,M]，M为网格的数量(网格数量应该是指将网格按网格大小划分之后的单元数量，这个定子结构由几万个)；

按照电机轴向长度和网格大小，三维网格中第j个网格即(x_j,y_j,z_j)分为多层，将第i个稳态下对应的转速即R_i对应的电磁网格(x_j,y_j)上的时域电磁力赋予到网格(x_j,y_j,z_j)每一层上,如图4所示；

步骤3：获取稳态转速下对应的转速下定子三维结构网格上的频域电磁力，该步骤在LMS Virtual.lab中的Acoustic Harmonic BEM模块完成；

所述的步骤3具体包括以下步骤:

建立电机整机的三维模型，包括三维定子、转子、永磁体、绕组，电机壳体，轴承；

赋予电机整机各部分的材料属性；

划分网格设置定子和电机壳体为接触关系，绕组和定子为绑定关系，永磁体和转子为绑定关系，转子和电机壳体为绑定关系；

通过最大距离算法，根据一个源电磁网格节点，找寻四个结构网格节点的方法，将时域电磁力映射到三维定子结构网格。

将映射到三维定子结构网格后的时域电磁力，通过傅里叶变换转为定子三维结构网格上的频域电磁力。

步骤4：获取电机整机的模态,该步骤在Hypermesh软件中的Optistruct模块完成；

所述的步骤4具体包括以下步骤:

采用Block lanczos法获取电机的模态参数如固有频率和振型如图5所示。

步骤5：通过模态叠加法获取R_i转速下的电机振动响应V_i,该步骤在LMSVirtual.lab软件中的System Analysis模块中完成；

所述的步骤5具体包括以下步骤:

步骤5.1，将电机三维模型设置为固定约束。

步骤5.2，输入模态参数和三维定子结构网格上的频域电磁力，使用模态叠加法计算电机壳体振动响应V_i，如图6所示。

步骤6：使用边界元法获取稳态下对应的转速下的电磁噪声声压级，该步骤在LMSVirtual.lab软件中的Acoustic Harmonic BEM模块中完成；

所述的步骤6具体包括以下步骤:

提取电机整机有限元模型的面网格作为声学边界元网格，在边界元网格外部根据iso3744建立采集声压的场点网格；

将稳态下对应的转速下通过模态叠加法得到的电机壳体表面振动位移数据集，使用最大距离算法，分别转移到声学边界元网格；

运用边界元法获取稳态下对应的转速下电磁噪声辐射声压级数据集，如图7所示。

所述电机壳体表面振动位移数据集为:V₁,V₂,...,V_k

i∈[1,K]

所述电磁噪声辐射声压级数据集为：

W₁,W₂,...,W_K

W_i＝(P_i,x,F_i,x)

i∈[1,K]

x∈[1,L]

其中，K为稳态的数量，L为声压级曲线上点的数量，W_i为第i个稳态下对应的转速的电磁噪声辐射声压级，P_i,x为第i个稳态下对应的转速的电磁噪声辐射声压级的声压，F_i,x第i个稳态下对应的转速的电磁噪声辐射声压级的频率；

步骤7：通过稳态转速数据集、电磁噪声辐射声压级数据集构建矩阵，对电磁噪声辐射声压级数据集和稳态下对应的转速数据集进行数据处理，得到永磁同步电机加速工况下的电磁辐射colomap图；

所述的步骤7具体包括以下步骤:

步骤7所述通过稳态转速数据集、电磁噪声辐射声压级数据集构建矩阵为：

其中，R_i为第i个稳态下对应的转速，P_i,x为第i个稳态下对应的转速的电磁噪声辐射声压级的声压，F_i,x第i个稳态下对应的转速的电磁噪声辐射声压级的频率，i∈[1,K]，x∈[1,L]，K为稳态的数量，L为声压级曲线上点的数量；

将矩阵即A中第一列至第三列数据分别依次转换为L行、K列的第一矩阵、L行、K列的第二矩阵、L行、K列的第三矩阵；

所述第一矩阵定义为F；

所述第二矩阵定义为R；

所述第三矩阵定义为P；

将所述的第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵通过surf函数构建电机加速工况下电磁colormap图，如图8所示。

步骤8：与试验加速工下永磁同步电机电磁噪声colormap图对比验证准确性,该步骤在Matlab软件中完成。

所述的步骤8具体包括以下步骤:

步骤8.1，使用LMS Test.lab数据采集系统中的Signature Testing模块，通过声压传感器，采集该电机加速工况下电磁噪声辐射，获取试验工况下噪声colormap图，；

步骤8.2，忽略试验工况下的机械噪声和仿真噪声减小的低阶次，考虑仿真和试验同时出现的噪声较大的60阶次，提取阶次噪声。

步骤8.3，试验和仿真60阶次噪声曲线对比分析，高转速声压级基本一致，低转速声压级趋势吻合，该仿真方法具有一定可靠性。

使用LMS Test.lab数据采集系统中的Signature Testing模块，通过声压传感器，采集该电机加速工况下电磁噪声辐射，获取试验工况下噪声colormap图,如图9所示；

忽略试验工况下的机械噪声和仿真噪声减小的低阶次，考虑仿真和试验同时出现的噪声较大的60阶次，提取阶次噪声。

试验和仿真60阶次噪声曲线对比分析，高转速声压级基本一致，低转速声压级趋势吻合，该仿真方法具有一定可靠性，如图10所示。

与现有技术相比，本发明提供了一种永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法，运用本发明可以准确的得到永磁同步电机加速工况下的电磁噪声频谱colormap图，为永磁同步电机NVH设计奠定了基础。本发明所提的加速工况下永磁同步电磁噪声辐射仿真计算方法对于任意永磁同步电机都适用，并且以三相10极60槽永磁同步电机作为试验案例，详细介绍了本发明所提方法的具体实施过程，为永磁同步电机NVH设计和故障诊断提供了可靠的技术手段。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为具体，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出类似数据压缩及重构，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取稳态下对应的转速二维定子上的时域电磁力；

步骤2：获取稳态转速下对应的转速下的三维定子电磁网格上的时域电磁力；

步骤3：获取稳态转速下对应的转速下定子三维结构网格上的频域电磁力；

步骤4：获取电机整机的模态；

步骤5：通过模态叠加法获取转速下的电机振动响应；

步骤6：使用边界元法获取稳态下对应的转速下的电磁噪声声压级；

步骤7：通过稳态转速数据集、电磁噪声辐射声压级数据集构建矩阵，对电磁噪声辐射声压级数据集和稳态下对应的转速数据集进行数据处理，得到永磁同步电机加速工况下的电磁辐射colomap图。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法，其特征在于：

所述的步骤1具体包括以下步骤：

步骤1所述稳态转速数据集为：

R₁,R₂,...,R_K

i∈[1,K]

其中，R_i为第i个稳态下对应的转速，K为稳态的数量；

建立二维电机模型，包括定子、转子、永磁体、绕组；

设置定子、转子材料为35W270，设置绕组材料为copper,设置永磁体材料为N38UH80C，设置永磁同步电机转速为R_i以及三相电流源给绕组通电；

使用TAU方法对网格进行划分，划分后的网格为(x_i,y_i)；

设置分析步长，根据公式

获取稳态下对应的转速二维定子上的时域电磁力；

其中，p为电磁力,单位为N；s为定子齿部的面积,单位为m^²；b(θ,t)为气隙磁通密度，μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π*10^-7H/m，t为时间之间相对角度,θ为定转子之间相对角度。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法，其特征在于：

步骤2所述稳态转速为：

R₁,R₂,...,R_K

i∈[1,K]

其中，R_i为第i个稳态下对应的转速，K为稳态的数量；

赋予电机轴向长度和网格大小,通过soild map方法将二维网格拉伸为三维网格进行拉升，形成三维网格即(x_j,y_j,z_j)，j∈[1,M]，M为网格的数量(网格数量应该是指将网格按网格大小划分之后的单元数量，这个定子结构由几万个)；

按照电机轴向长度和网格大小，三维网格中第j个网格即(x_j,y_j,z_j)分为多层，将第i个稳态下对应的转速即R_i对应的电磁网格(x_j,y_j)上的时域电磁力赋予到网格(x_j,y_j,z_j)每一层上。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法，其特征在于：

所述的步骤3具体包括以下步骤:

建立电机整机的三维模型，包括三维定子、转子、永磁体、绕组，电机壳体，轴承；

赋予电机整机各部分的材料属性；

划分网格设置定子和电机壳体为接触关系，绕组和定子为绑定关系，永磁体和转子为绑定关系，转子和电机壳体为绑定关系；

通过最大距离算法，根据一个源电磁网格节点，找寻四个结构网格节点的方法，将时域电磁力映射到三维定子结构网格；

将映射到三维定子结构网格后的时域电磁力，通过傅里叶变换转为定子三维结构网格上的频域电磁力。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法，其特征在于：

所述的步骤4具体包括以下步骤:

采用Block lanczos法获取电机的模态参数如固有频率和振型。

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法，其特征在于：

所述的步骤5具体包括以下步骤:

步骤5.1，将电机三维模型设置为固定约束；

步骤5.2，输入模态参数和三维定子结构网格上的频域电磁力，使用模态叠加法计算电机壳体振动响应。

7.根据权利要求1所述的永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法，其特征在于：

所述的步骤6具体包括以下步骤:

提取电机整机有限元模型的面网格作为声学边界元网格，在边界元网格外部根据iso3744建立采集声压的场点网格；

将稳态下对应的转速下通过模态叠加法得到的电机壳体表面振动位移数据集，使用最大距离算法，分别转移到声学边界元网格；

运用边界元法获取稳态下对应的转速下电磁噪声辐射声压级数据集；

所述电机壳体表面振动位移数据集为:V₁,V₂,...,V_k

i∈[1,K]

所述电磁噪声辐射声压级数据集为：

W₁,W₂,...,W_K

W_i＝(P_i,x,F_i,x)

i∈[1,K]

x∈[1,L]

其中，K为稳态的数量，L为声压级曲线上点的数量，W_i为第i个稳态下对应的转速的电磁噪声辐射声压级，P_i,x为第i个稳态下对应的转速的电磁噪声辐射声压级的声压，F_i,x第i个稳态下对应的转速的电磁噪声辐射声压级的频率。

8.根据权利要求1所述的永磁同步电机加速工况下电磁噪声仿真计算方法，其特征在于：

步骤7所述通过稳态转速数据集、电磁噪声辐射声压级数据集构建矩阵为：

其中，R_i为第i个稳态下对应的转速，P_i,x为第i个稳态下对应的转速的电磁噪声辐射声压级的声压，F_i,x第i个稳态下对应的转速的电磁噪声辐射声压级的频率，i∈[1,K]，x∈[1,L]，K为稳态的数量，L为声压级曲线上点的数量；

将矩阵即A中第一列至第三列数据分别依次转换为L行、K列的第一矩阵、L行、K列的第二矩阵、L行、K列的第三矩阵；

所述第一矩阵定义为F；

所述第二矩阵定义为R；

所述第三矩阵定义为P；

将所述的第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵通过surf函数构建电机加速工况下电磁colormap图。

Images