CN112989649A - 一种基于仿真的电动汽车动力总成的nvh性能优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于仿真的电动汽车动力总成的NVH性能优化方法。该方法具体包括建立电动汽车电机的电磁模型和外部壳体模型，并对电磁模型与结构模型进行耦合分析，获得在各转速下的振动响应以及噪声响应，根据噪声响应的结果调节转子的磁障孔形状、构造辅助槽或对外部壳体进行局部结构强化处理，以降低噪声响应，达到优化电动汽车动力总成的NVH性能的目的。本发明提供了一种完整的优化仿真流程，可以降低传统的实验法优化NVH性能导致的难度高、成本高，在仿真过程中对电磁与结构模型进行耦合分析，仿真结果更贴近实际情况，可以使NVH性能得到大幅提升。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车动力总成振动噪声领域，具体涉及一种基于仿真系统的优化动力总成NVH性能的方法。
背景技术
由于恶劣气候环境的影响，国际上对于环保问题也越来越重视。电动汽车由于其独特的环保优势也受到众多车企的青睐。同时，电动汽车的配套基础设施在近些年来在不断完善，电动汽车也越来越受人们的欢迎。优秀的NVH性能可以在众多电动汽车中脱颖而出，更具有竞争力。动力总成是电动汽车的驱动源，动力总成的NVH性能对于整车NVH性能起着决定性作用。因此对于电动汽车动力总成的NVH性能优化的研究十分必要。
当前对于动力总成NVH性能的优化主要以实验法为主，整个开发流程长，成本高，优化方式以工程经验为主，难以把握优化效果，不利于电动汽车的发展。部分仿真方法主要考虑电机定子的径向模态，而没有考虑动力总成壳体的振动响应，仿真结果与实际情况的出入较大，这对于动力总成NVH的优化是不利的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于仿真的电动汽车动力总成的NVH性能优化方法，通过建立动力总成的永磁同步电机电磁模型与外部壳体，然后对电磁和结构耦合分析，再同时考虑电磁噪声与壳体噪声的条件下通过仿真的方式来优化电动汽车的NVH性能，缩短开发流程，降低成本。
一种基于仿真的电动汽车动力总成的NVH性能优化方法，具体包括以下步骤：
步骤一、建立动力总成永磁同步电机的电磁模型，对电机转速进行参数化设置，获得各个转速下的径向电磁力。对电机的电磁模型分析基于ANSYS EM建立。
步骤二、建立动力总成的外部壳体，对动力总成的固有模态进行分析。所述外部壳体包括电机定子、电机壳体、电机端盖、减速器壳体和减速器端盖5个部分。
步骤三、对步骤一和步骤二建立的电磁、结构模型进行耦合分析，获得动力总成壳体的振动响应。对振动响应结果进行处理后，输出动力总成壳体表面在各转速下的噪声瀑布图。
步骤四、将步骤三得到的动力总成表面振动作为激励源进行声辐射分析，以动力总成的质心为球心，建立半径为1m的空气球域，模拟噪声在空气中的传播，获得空气域表面辐射的噪声瀑布图。
其中动力总成的固有模态分析、电磁、结构模型耦合分析以及声辐射分析均基于ANSYS Workbench建立。
步骤五、通过对步骤四得到的噪声瀑布图识别噪声分布情况以及各个转速下的声压级的大小，判断当前转子结构是否满足优化NVH性能的要求，满足则进行步骤六，不满足则返回步骤一，调整永磁同步电机转子结构，将改良后的转子结构导入新的电磁模型中。
调整永磁同步电机转子结构的方法为改良电机转子冲片的磁障孔形状以及在转子冲片的外轮廓处构造辅助圆弧槽。
改良后的电机转子在中心处设置有圆形电机轴安装孔，安装孔的外侧设置有8个磁极，每个磁极由三块永磁体组成，呈双层分布。转子的磁障孔也为双层分布，其中靠近电机轴安装孔一侧的内层磁障孔为双“人”字形结构，与磁极的夹角M为113°。远离电机轴安装孔的为矩形的外层磁障孔。改变矩形外层磁障孔的内边缘与侧边缘的夹角N为145°，侧边缘的长度为3.5mm；使用末端带圆弧的线段连接侧边缘与外边缘，圆弧的半径为0.37mm，连接侧边缘的圆弧圆心角为79°，连接外边缘的圆弧圆心角为91°。以转子圆心为中心点建立外切于圆形转子轮廓的正八边形，以该正八边形的顶点为圆心，构造半径为R为5.5mm的辅助圆与转子轮廓相叠加，去掉两者重叠的部分，获得转子冲片辅助圆弧槽。
步骤六、在动力总成表面等效噪声瀑布图中找到噪声较大的频率点，并对比动力总成的模态频率，找到频率相近或者相等的频率点，将此时发生形变最大的部分作为需要进行结构优化的部分，对该部分进行局部结构强化处理。使用结构优化后的动力总成模型返回步骤二，重新进行仿真，若改进的结构使得动力总成的NVH性能得到进一步改进，则完成优化，否则继续进行结构优化。
所述局部结构强化处理方法包括以减速器输出轴为轴心增加强筋、以减速器轴承座端盖为轴心增加强筋、增加壳体厚度、在轴承端盖和壳体增厚部分增加圆环内切圆三角形结构。
作为优选，局部结构强化处理为以减速器输出轴为轴心均匀增加18根长度为58mm，宽为5mm的强筋，再以减速器轴承座端盖为轴心分别增加间隔为20°长为11.36mm宽为2mm的12根强筋和间隔20°长为12.56mm宽为2mm的17根强筋。其余部分增加2mm壳体厚度。并分别对两个轴承座端盖和壳体增厚部分增加高为3mm的圆环加内切圆三角形结构。靠近减速器轴的轴承座端盖圆环半径分别为25.3mm和31.6mm，三角形内切圆半径为12.6mm和15.8mm，另一轴承座端盖圆环半径分别为26.7mm和31.1mm，三角形内切圆半径为13.3mm和15.5mm，壳体增厚部分圆环半径分别为44.8mm和38.8mm，三角形内切圆半径为19.4mm和22.4mm。
本发明具有以下有益效果：
1、通过对电动汽车动力总成的振动噪声进行建模与仿真，提供了一种完整的优化仿真流程，减少通过实验法优化NVH性能的难度和成本，提高了优化效率。
2、电磁分析的过程中对电机转速进行参数化设置，可以考虑全工况下的动力总成噪声，提高NVH性能优化的可靠性。
3、对电磁与结构进行耦合分析，使仿真结果更接近实际情况。并且分别对电机转子与壳体结构进行优化，NVH性能提升的效果更好。
附图说明
图1为动力总成NVH性能优化流程图；
图2为原电动汽车动力总成电机转子冲片结构示意图；
图3为原电动汽车动力总成电机输出转矩示意图；
图4为原电动汽车动力总成电机径向磁密示意图；
图5为电动汽车动力总成有限元结构示意图；
图6为原电动汽车动力总成表面的等效噪声瀑布图；
图7为原电动汽车动力总成远声场等效噪声瀑布图；
图8为优化后的动力总成永磁同步电机转子冲片结构示意图；
图9为优化后的电动汽车动力总成电机转矩示输出意图；
图10为优化后的电动汽车动力总成电机径向磁密示意图；
图11为优化后的电动汽车动力总成表面的等效噪声瀑布图；
图12为优化后的电动汽车动力总成远声场等效噪声瀑布图；
图13为电动汽车动力总成模态仿真示意图；
图14为电动汽车动力总成减速器后端盖结构优化示意图；
图15为结构优化后的电动汽车动力总成表面的等效噪声瀑布图；
图16为结构优化后的电动汽车动力总成远声场等效噪声瀑布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
如图1所示，用于优化电动汽车NVH性能的转子优化方法，具体包括以下步骤：
步骤一、基于ANSYS EM建立动力总成永磁同步电机的电磁模型，对电机转速进行参数化设置，获得各个转速下的径向电磁力。
所述永磁同步电机的转子结构如图2所示，由X个转子冲片叠压后使用黏合胶加固。在每个转子冲片中心设置圆形电机轴的安装孔，安装孔的外侧设置有八个磁极，每个磁极由三块永磁体组成，呈双层分布。靠近电机轴安装孔的一侧称为内层磁极，远离的称为外层磁极。
转子的磁障孔也为双层分布，其中靠近电机轴安装孔一侧的内层磁障孔为双“人”字形结构，与磁极的夹角M为110°。远离电机轴安装孔的为外层磁障孔，呈“一”字形结构。对矩形的外层空气磁障孔进行改进，改进后外层空气磁障孔的内边缘与侧边缘的夹角N为113°，侧边缘的长度范围为3.5mm；使用末端带圆弧的线段连接侧边缘与外边缘，圆弧的半径为0.37mm，连接侧边缘的圆弧圆心角为79°，连接外边缘的圆弧圆心角为91°。
上述磁极、磁障孔与辅助圆弧槽均围绕转子中心均匀分布，并保证优化前后的永磁体材料不变。
总成电机输出转矩与径向磁密示意图如图3、图4所示。
步骤二、基于ANSYS Workbench建立动力总成的外部壳体，包括电机定子、电机壳体、电机端盖、减速器壳体、减速器端盖5个部分，如图5所示，对动力总成的固有模态进行分析。
步骤三、基于ANSYS Workbench对步骤一和步骤二建立的电磁、结构模型进行耦合分析，获得动力总成壳体的振动响应。对振动响应结果进行处理后，输出动力总成壳体表面在各转速下的噪声瀑布图，如图6所示。
步骤四、基于ANSYS Workbench将步骤三得到的动力总成表面振动作为激励源进行声辐射分析，以动力总成的质心为球心，建立半径为1m的空气球域，模拟噪声在空气中的传播，获得空气域表面辐射的噪声瀑布图，如图7所示。
步骤五、通过对步骤四得到的噪声瀑布图识别噪声分布情况以及各个转速下的声压级的大小，在1625～2500rpm以及5500～6000rpm下噪声较为严重。如图8所示，调整转子冲片内侧磁障孔与磁极夹角M为113°和转子冲片外侧层磁障孔内边缘与侧边缘的夹角N为145°，并在在转子冲片外侧构造辅助圆弧槽，以转子圆心为中心点建立与转子外轮廓正切的正八边形，以该正八边形的顶点为圆心，构造半径R为5.5mm的辅助圆与转子轮廓相叠加，去掉两者重叠的部分，获得转子冲片辅助圆弧槽。将调整后的转子结构导入同步电机的电磁模型中，输出新的仿真结果，如图9-12所示，分别为优化后的电动汽车动力总成电机转矩输出示意图、径向磁密示意图、表面等效噪声瀑布图和远声场等效噪声瀑布图。优化后的转子在1625～2500rpm以及5500～6000rpm下的峰值噪声降低了6dB，表明该转子可以优化动力总成NVH性能。
步骤六、在动力总成表面等效噪声瀑布图中找到噪声较大的频率点，如图11所示，在4800Hz附近有较大的振动噪声，在并对比动力总成的模态频率，如图13所示。找到频率相近或者相等的频率点，第46个模态频率为4800.6Hz与噪声频率相近，此时减速器后端盖发生形变最大。以减速器输出轴为轴心均匀增加18根长度为58mm，宽为5mm的强筋，再分别对减速器轴承座端盖为轴心分别增加间隔为20°长为11.36mm宽为2mm的12的强筋和间隔20°长为12.56mm宽为2mm的17根强筋。其余部分增加2mm壳体厚度。并分别对两个轴承座端盖和壳体增厚部分增加高为3mm的圆环加内切圆三角形结构。靠近减速器轴的轴承座端盖圆环半径分别为25.3mm和31.6mm，三角形内切圆半径为12.6mm和15.8mm，另一轴承座端盖圆环半径分别为26.7mm和31.1mm，三角形内切圆半径为13.3mm和15.5mm，壳体增厚部分圆环半径分别为44.8mm和38.8mm，三角形内切圆半径为19.4mm和22.4mm。强化后的建模如图14。
使用结构优化后的动力总成模型返回步骤二，重新进行仿真。图15、16为结构优化后的电动汽车动力总成表面的等效噪声瀑布图和远声场等效噪声瀑布图，可以看出结构优化后的峰值噪声在电磁优化的基础上进一步降低了8dB，且在4800Hz附近的噪声优化明显，因此在使用本方法完成电磁优化和结构优化后获得了良好的NVH性能。
Claims (4)
1.一种基于仿真的电动汽车动力总成的NVH性能优化方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：
步骤一、建立动力总成永磁同步电机的电磁模型，对电机转速进行参数化设置，获得各个转速下的径向电磁力；
步骤二、建立动力总成的外部壳体，对动力总成的固有模态进行分析；所述外部壳体包括电机定子、电机壳体、电机端盖、减速器壳体和减速器端盖5个部分；
步骤三、对步骤一和步骤二建立的电磁、结构模型进行耦合分析，获得动力总成壳体的振动响应；对振动响应结果进行处理后，输出动力总成壳体表面在各转速下的噪声瀑布图；
步骤四、将步骤三得到的动力总成表面振动作为激励源进行声辐射分析，以动力总成的质心为球心，建立半径为1m的空气球域，模拟噪声在空气中的传播，获得空气域表面辐射的噪声瀑布图；
步骤五、通过对步骤四得到的噪声瀑布图识别噪声分布情况以及各个转速下的声压级的大小，判断当前转子结构是否满足优化NVH性能的要求，满足则进行步骤六，不满足则返回步骤一，调整永磁同步电机转子结构，将改良后的转子结构导入新的电磁模型中；
调整永磁同步电机转子结构的方法为改良电机转子冲片的磁障孔形状以及在转子冲片的外轮廓处构造辅助圆弧槽；
步骤六、在动力总成表面等效噪声瀑布图中找到噪声较大的频率点，并对比动力总成的模态频率，找到频率相近或者相等的频率点，将此时发生形变最大的部分作为需要进行结构优化的部分，对该部分进行局部结构强化处理；使用结构优化后的动力总成模型返回步骤二，重新进行仿真，若改进的结构使得动力总成的NVH性能得到进一步改进，则完成优化，否则继续进行结构优化；
所述局部结构强化处理方法包括以减速器输出轴为轴心增加强筋、以减速器轴承座端盖为轴心增加强筋、增加壳体厚度、在轴承端盖和壳体增厚部分增加圆环内切圆三角形结构。
2.如权利要求1所述一种基于仿真的电动汽车动力总成的NVH性能优化方法，其特征在于：步骤一中对电机的电磁模型分析基于ANSYS EM建立；动力总成的固有模态分析、电磁、结构模型耦合分析以及声辐射分析均基于ANSYS Workbench建立。
3.如权利要求1所述一种基于仿真的电动汽车动力总成的NVH性能优化方法，其特征在于：步骤五中改良后的电机转子在中心处设置有圆形电机轴安装孔，安装孔的外侧设置有8个磁极，每个磁极由三块永磁体组成，呈双层分布；转子的磁障孔也为双层分布，其中靠近电机轴安装孔一侧的内层磁障孔为双“人”字形结构，与磁极的夹角M为113°；远离电机轴安装孔的为矩形的外层磁障孔；改变矩形外层磁障孔的内边缘与侧边缘的夹角N为145°，侧边缘的长度为3.5mm；使用末端带圆弧的线段连接侧边缘与外边缘，圆弧的半径为0.37mm；，连接侧边缘的圆弧圆心角为79°，连接外边缘的圆弧圆心角为91°；以转子圆心为中心点建立外切于圆形转子轮廓的正八边形，以该正八边形的顶点为圆心，构造半径为R为5.5mm的辅助圆与转子轮廓相叠加，去掉两者重叠的部分，获得转子冲片辅助圆弧槽。
4.如权利要求1所述一种基于仿真的电动汽车动力总成的NVH性能优化方法，其特征在于：步骤六中局部结构强化处理具体为以减速器输出轴为轴心均匀增加18根长度为58mm，宽为5mm的强筋，再以减速器轴承座端盖为轴心分别增加间隔为20°长为11.36mm宽为2mm的12根强筋和间隔20°长为12.56mm宽为2mm的17根强筋；其余部分增加2mm壳体厚度；并分别对两个轴承座端盖和壳体增厚部分增加高为3mm的圆环加内切圆三角形结构；靠近减速器轴的轴承座端盖圆环半径分别为25.3mm和31.6mm，三角形内切圆半径为12.6mm和15.8mm，另一轴承座端盖圆环半径分别为26.7mm和31.1mm，三角形内切圆半径为13.3mm和15.5mm，壳体增厚部分圆环半径分别为44.8mm和38.8mm，三角形内切圆半径为19.4mm和22.4mm。
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