以往我们在设计电机时，常常是利用设计者经验，选择经验上的低噪声方案，然后制作A轮样机，验证设计数据，反复数轮，最终得到低噪声电机产品。这样不仅会拉长产品设计周期，还会增加设计成本。如果我们能在设计之初，便可对电机进行噪声的量化计算与对比，选择低噪声电机方案，则可减少样机数，缩短研发周期。
基于此目的，我们基于EasiMotor Online电机电磁设计软件平台，进行正向计算某款车用电机的电磁振动与噪声，并对电机进行结构和噪声试验，来验证计算的准确性。
电机方案设计
我们的研究对象是一款商用车转向泵/空压机用电机，峰值功率12kW，转速范围0~3500rpm，车辆巡航工况下，电机额定转速3000rpm，根据产品需求，方案选择36槽10极电机，如下图模型所示。
（电机定转子结构）
（电机反电势波形）
（MTPA控制策略下电机效率Map图）
电机电磁振动与噪声计算
电机电磁振动与噪声计算属于多学科交叉领域，涉及多物理场耦合计算，这就要求工程师要具备一定的机械振动、电磁场、电机控制、噪声以及信号处理等相关的知识理论基础，其具体的计算工作流程如下图所示，最终我们得到的是多转速工况下，辐射噪声的频率分布。
1.1
电磁力密计算
电机电磁力密时空分解图如下图：
在该电机中，其控制方案选用的是MTPA+弱磁控制，我们使用EasiMotor自带外电路控制方法计算电机气隙磁密，再根据麦克斯韦张量法计算电机电磁力密。为了计算的便利性，我们选用正弦电流激励，其电机时空电磁力密如下图所示。
（时空电磁力密图）
对所求得的电机电磁力密进行时空傅立叶分解，如下图示。
（时空电磁力密分解图）
在定转子修形之后，气隙的谐波含量大为降低，从电磁力密的时空分解图中也能体现出来，空间次数和时间次数均为10的基波电磁力占据力的主要成分。
1.2
电机电磁振动与噪声计算
以电磁力为基础，将力作用与电机定子系统的外表面上，通过声辐射理论，可以算出电机表面振动与噪声声功率频率分布。
（电机定子振动加速度频谱图）
（电机A计权声功率级的频谱图）
1.3
多转速工况电机噪声计算
对于车用电机而言，其工作转速范围较宽，单一转速工况下的噪声不足以评判电机整体性能，因此需要对电机进行多转速工况下噪声计算。我们可以根据设计结果对电机各转速下对应的激励电流进行仿真求解，然后计算各个转速工况下的电磁力及噪声计算，生成一个噪声-频率-转速云图，如下图所示。
（空载工况下，不同转速的A计权声功率级频谱云图）
试验验证
为了验证上述对电机定子系统的模态计算和电机电磁噪声声功率的计算，我们分别对其进行了试验验证，试验所采用的设备为BK3053采集仪+4520加速度传感器+自由场4961传声器进行的。
（空载工况试验现场）
2.1
结构测试
对于小型电机而言，其定子系统的模态一般都较高，尤其是0阶模态——2000Hz以上，难以通过传统的锤击法模态测试（EMA）来进行，因此我们使用运行模态（OMA）对电机结构模态进行测试识别。两种模态测试方法主要区别是激励方式不同，如果感兴趣可以参考相关振动测试书籍进行了解学习。后期我们也会在电机振动与噪声测试推文中详细介绍。
2阶 1370Hz
3阶 3128Hz
4阶 4760Hz
（电机结构试验模态结果）
0阶 6624Hz
2.2
声功率测试
一般而言，声功率作为噪声辐射的能量度量值，也是国际标准中对电机噪声的判定物理量。对于该款电机我们选用在四周无遮挡的实验室环境中进行，可近似等效为自由场环境，满足ISO 3744-2010（工程级）对声压法测定噪声源声功率级的要求。其3000rpm工况下噪声频谱图与理论噪声计算数值对比如下图所示。实验所得声功率级为65.1dBA，理论计算电磁噪声数值为62.2dBA，计算误差为-4.5%。
（电机噪声试验与计算数据对比）
总结
通过Easimotor Online正向的计算电机的振动与噪声，获取电机定子系统的结构特性与电磁噪声声功率级频率的分布，同时也可以得到电机电磁力的时空分布，以及电机各阶次辐射贡献等。此外通过对对象电机进行结构与噪声试验，验证了计算的准确性满足工程应用。针对计算结果，无论是下一步对电机的噪声优化设计，还是对电机的噪声故障诊断，都具有较为精确的理论指导。
声明：本站部分文章内容及图片转载于互联 、内容不代表本站观点，如有内容涉及侵权，请您立即联系本站处理，非常感谢！