1.電機NVH分析及優(yōu)化流程
目前關(guān)注NVH更多還是汽車(chē)行業(yè)，可能是新能源汽車(chē)這一塊，作為整車(chē)廠(chǎng)的話(huà)，他可能關(guān)注的是動(dòng)力總成，電機廠(chǎng)可能關(guān)注電機，但實(shí)際上很多電機廠(chǎng)現在慢慢的也做三合一的形式，所以動(dòng)力總成的NVH問(wèn)題他都關(guān)注。那么這里面聲源就比較復雜了，一個(gè)來(lái)自電機的電磁激勵，第二個(gè)來(lái)自齒輪的由于靜態(tài)傳遞誤差引起的這樣一個(gè)激勵。那么兩個(gè)激勵同時(shí)要放在總模型進(jìn)行計算的話(huà)，這個(gè)可能帶來(lái)一些困難，另外整個(gè)轉速段的噪聲我們都要關(guān)注，因為可能踩油門(mén)時(shí)踩的轉速有高有低，那么這時(shí)導致力矩轉矩等工況不一樣，噪聲水平也不太一樣，在仿真時(shí)就要求作多轉速噪聲的仿真，同時(shí)針對動(dòng)力總成的話(huà)，就要把兩種噪聲源同時(shí)考慮進(jìn)來(lái)。那這時(shí)就要求噪聲的計算能不能采取一些比較高效的方法，也是目前比較流行的就是采用階次力的方式進(jìn)行加載，其實(shí)階次來(lái)加載時(shí)，電機跟齒輪它們之間是不相關(guān)的，是獨立的。比如說(shuō)可以單獨的總成只加電機噪聲，比如說(shuō)電機的階次跟齒輪的階次是不相互影響的，那么這個(gè)是目前用的比較多的一種手段，是對激勵源的一個(gè)處理。
基于這個(gè)思想，比如說(shuō)要仿電驅動(dòng)總成的振動(dòng)噪聲問(wèn)題的話(huà)，那剛才講的激勵也來(lái)自于電磁或者來(lái)自于齒輪，那么分別要把電磁的激勵和齒輪的激勵給算出來(lái)。那么這個(gè)計算輸出的力載荷形式是一個(gè)階次力的形式，比如說(shuō)像主流電機是八極的，那么它的一個(gè)電磁力主要是8的倍數，只需要考慮8的倍數就可以了；那齒輪的話(huà)比如說(shuō)現在典型的21階，22階。那我們可以通過(guò)電機和齒輪的多轉速的計算或者我們叫加速過(guò)程的計算，然后進(jìn)行一些數據處理，就可以把電磁力轉化成階次力，那么這個(gè)包含有電機電磁的階次力以及齒輪嚙合的階次力，把兩種力分別加到總成模型上。電機電磁力一般加在定子的齒面上，對于我們總成模型的話(huà)，它的齒輪力理論上可能是在齒輪的嚙合位置，但由于齒輪嚙合的位置不太方便加，因為力是傳遞的，我們可以把它簡(jiǎn)化成加在軸承上面，力在齒輪嚙合位置產(chǎn)生，但是通過(guò)齒輪和軸傳遞到我們軸承的位置，所以我們通?？梢院?jiǎn)化成在六個(gè)軸承點(diǎn)的位置加齒輪的一個(gè)嚙合激勵。那這里面就可以包含有電機的階次，比如8的倍數；也包含齒輪的階次比如21階、22階等等。那么這個(gè)總成里面我們進(jìn)行一個(gè)總成的計算，可以輸出一個(gè)總的噪聲Colormap圖，包含有電機階次也包含齒輪階次的這樣一個(gè)噪聲Colormap圖。當我們不加載右邊這個(gè)齒輪階次的話(huà)，我們也可以完成這個(gè)計算，那么這時(shí)它算的這個(gè)噪聲就完全只是由電機電磁激勵所引起的噪聲。為什么可以這么實(shí)現呢？因為他們兩個(gè)階次力之間是相互獨立的，可以認為是不相關(guān)的，那可以合在一起加載，最終噪聲結果是一樣。
這里是針對這種加速電磁噪聲的一個(gè)計算分析流程圖。首先是從電磁做一個(gè)多轉速計算，把加速過(guò)程離散成各個(gè)穩態(tài)點(diǎn)，代替加速過(guò)程；然后比如說(shuō)利用一些階次力計算軟件，把它的階次解出來(lái)，然后加到結構上算振動(dòng)，接下來(lái)我們可以用這個(gè)噪聲軟件進(jìn)行一個(gè)聲的計算。這只是實(shí)現的一個(gè)流程，那么后面對這個(gè)結果還需要進(jìn)行一個(gè)優(yōu)化分析，優(yōu)化分析無(wú)非是從兩個(gè)方面，要么從他的激勵源，要么是從它的傳播途徑。激力源就跟電磁方案有關(guān)，或者是簡(jiǎn)單來(lái)講就是與產(chǎn)生的電磁力大小有關(guān)，那么傳播途徑可以認為是一個(gè)放大因子跟結構是有關(guān)的，像這個(gè)典型的模態(tài)阻尼等等是有關(guān)的，通常我們優(yōu)化無(wú)非是從這兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。這主要是正向研發(fā)型。
這是這個(gè)流程所使用的一些工具鏈，第一個(gè)電磁常用的比如說(shuō)maxwell、jmag都可以，那么他算多轉速時(shí)是離散成各個(gè)轉速點(diǎn)，其實(shí)離散的各個(gè)轉速點(diǎn)的話(huà)，去設置各個(gè)轉速的話(huà)可能也比較麻煩繁瑣，比如說(shuō)現在目前的這種車(chē)用電機可能達到2萬(wàn)轉，那可能用1000轉作為它的一個(gè)間隔的話(huà)，可能這個(gè)分辨率還不太高，至少要500，比如說(shuō)你算了2萬(wàn)轉，那肯定至少就是20個(gè)轉速點(diǎn)，一個(gè)個(gè)去設置這個(gè)電磁模型的話(huà)，設置半天，然后計算的話(huà)要20個(gè)計算完以后，還要把這每一個(gè)轉速點(diǎn)的電磁結果導出來(lái)，如果說(shuō)全部手工去完成的話(huà)，這個(gè)工作量還是挺大的。那么這個(gè)過(guò)程其實(shí)我們可以實(shí)現一個(gè)自動(dòng)化，就是你只需要一個(gè)基礎模型，然后我們可以讓它自動(dòng)的實(shí)現另外所有轉速的載荷的自動(dòng)添加以及自動(dòng)計算，磁密的自動(dòng)導出。利用我們這套方法，其實(shí)只需要輸出電磁的磁密結果就行，就是在電磁模型里面的氣隙上面要畫(huà)一個(gè)圓弧線(xiàn)，把這個(gè)圓弧線(xiàn)上的磁密輸出來(lái)就可以了，這個(gè)算法原理非常簡(jiǎn)單，就是麥克斯韋應力張量法，就是這個(gè)原理把它轉化成力密度，力密度再提分成力，然后再映射到比如說(shuō)定子網(wǎng)格上面，我們這個(gè)軟件就可以完成電磁力的計算或者結果的后處理分析，然后得到階次力的一個(gè)colormap圖，colormap圖可以加到我們定子網(wǎng)格上面，網(wǎng)格可以通過(guò)hypermesh網(wǎng)格劃分。接下可以用結構軟件進(jìn)行振動(dòng)的一些計算，為了快速提高計算效率，一般我們是在計算過(guò)程最好先算它的模態(tài)。有了模態(tài)結果，我們再利用比如結構軟件那個(gè)模態(tài)疊加法來(lái)快速算它的振動(dòng)響應，如果你不算模態(tài)也行，可以直接用它的直接法來(lái)直接綁定加在結構上算它的振動(dòng)響應叫直接法，這可能算的效率會(huì )比較低一些，算的速度會(huì )比較慢。通常情況下一般還是用模態(tài)疊加法，電機模態(tài)頻率比較高，他這個(gè)模態(tài)結果的文件可能幾十G都有可能。那么這么大一個(gè)模型的話(huà)，你用直接法計算法效率會(huì )比較低。基于振動(dòng)響應這個(gè)結果文件，可以導入actran然后自動(dòng)來(lái)劃分它的聲學(xué)網(wǎng)格。有了聲網(wǎng)格就可以進(jìn)行聲輻射的計算，然后輸出聲學(xué)結果，包括云圖曲線(xiàn)等。優(yōu)化一般來(lái)說(shuō)主要是三個(gè)方面的內容，就是優(yōu)化目標，優(yōu)化工況和優(yōu)化變量。實(shí)際上我們針對這樣一個(gè)過(guò)程的話(huà)，做了一個(gè)自動(dòng)化的開(kāi)發(fā)， maxwell也是做了一個(gè)自動(dòng)化的開(kāi)發(fā)，只是目前還沒(méi)有把它集成這樣一個(gè)整體的進(jìn)來(lái)，可以減少我們繁瑣的工作，提高我們的計算效率。
前面可以認為是正向研發(fā)型，也就是沒(méi)有任何測試結果來(lái)進(jìn)行對標，其實(shí)我們在實(shí)際的問(wèn)題中，很多是故障診斷型的。電機開(kāi)發(fā)出來(lái)以后裝車(chē)或者有些沒(méi)有裝車(chē)直接在臺架上就可能測試或者通過(guò)主觀(guān)的感受感覺(jué)有一些明顯的異音，或者是異常的噪聲問(wèn)題的話(huà)，那這時(shí)就要進(jìn)行噪聲源的診斷分析，既然有樣機優(yōu)先采用的手段是測試，把具體的噪聲源給診斷出來(lái)，比如說(shuō)哪一個(gè)階次的噪聲出現問(wèn)題，第二個(gè)要診斷哪一個(gè)轉速點(diǎn)或者是哪個(gè)頻段診斷出來(lái)，根據專(zhuān)業(yè)的NVH知識然后再加上電機理論可能大概能推算出來(lái)這個(gè)問(wèn)題可能是什么原因。比如說(shuō)無(wú)非就兩方面，要么是激勵的，是電磁還是轉矩脈動(dòng)，還是說(shuō)徑向電磁力引起的；第二如果是結構具體哪個(gè)板件，端蓋還是殼體共振，還是說(shuō)總成的某個(gè)部件共振，或者如果是裝在整車(chē)的話(huà)，是不是電機跟汽車(chē)里面哪個(gè)部件產(chǎn)生了一個(gè)共振，所以把傳遞路徑或者是聲源給定位出來(lái)，再采取一些有效的措施嘗試的去進(jìn)行一些改進(jìn)。這是常見(jiàn)的不借助仿真的手段，實(shí)際上我們這種故障手段，通常也更多的需要借助一些仿真手段來(lái)幫助我們進(jìn)行一些聲源的激勵分析，或者是優(yōu)化分析，可能更加科學(xué)一些。仿真的話(huà)，因為有了樣機，就可以搭建一個(gè)高精度的仿真計算模型了，為什么高精度呢？我們剛才講它這個(gè)多物理場(chǎng)的仿真，實(shí)際上每個(gè)物理場(chǎng)都要通過(guò)仿真實(shí)驗對標，比如電磁場(chǎng)的計算一般我們可以對標平均轉矩，實(shí)際上你要嚴格對標的話(huà)，你要對標轉矩脈動(dòng)或者反電動(dòng)勢，但轉轉矩脈動(dòng)一般很難去測準確，可能更多的對標一些反電動(dòng)勢。結構我們有多種手段來(lái)進(jìn)行校核，第一個(gè)是模態(tài)，一般來(lái)說(shuō)我們是都需要做的，故障診斷型的話(huà)有條件的盡量多做模態(tài)試驗，包括零部件和總成的，然后還有振動(dòng)，在臺架上測它的加速度，然后驗證振動(dòng)計算模型的準確性；以及測聲壓來(lái)驗證聲學(xué)仿真模型的準確性。通過(guò)每一步來(lái)進(jìn)行對標以后，確保我們這個(gè)仿真模型是可靠的、可信的。然后我們有了這樣一個(gè)高精度的仿真計算模型，現在在它的基礎上來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，仿真的結果結合測試的結果來(lái)進(jìn)行一個(gè)相互的驗證。
如果涉及到優(yōu)化電磁的話(huà)，像磁鋼方案的設計千變萬(wàn)化，角度或者是厚度稍微變一點(diǎn)，一字型、V型、雙V型等等，那么它這個(gè)參數就很多了，可能多達幾十個(gè)參數。如果我們對整個(gè)轉子進(jìn)行參數化建模，對于雙V結構，可能有二三十個(gè)或者至少有一二十個(gè)變量，一二十個(gè)變量稍微變一點(diǎn)，它可能對電磁性能也好，NVH性能都會(huì )有變化。所以最好做目標的優(yōu)化，我們優(yōu)化的時(shí)候，不可能說(shuō)對所有的轉速點(diǎn)都要去進(jìn)行優(yōu)化，這個(gè)工作量也太大了。一般來(lái)說(shuō)，前期要把這個(gè)具體的工況給定位出來(lái)，定位出來(lái)哪個(gè)轉速點(diǎn)出了問(wèn)題，定位出來(lái)我們再優(yōu)化，也都是在一個(gè)很小范圍內變化，那你如果大幅變化的話(huà)，可能大幅影響我們的電磁性能，有可能就滿(mǎn)足不了基本的電磁性能的要求。這個(gè)可以通過(guò)優(yōu)化的軟件來(lái)自動(dòng)尋優(yōu)去實(shí)現。如果去找的話(huà)，可能大家經(jīng)驗比較豐富，也可以去找出一個(gè)相對比較優(yōu)的，但可能不一定是最優(yōu)的。在這一部分的話(huà)，目前大家可能更多的還是借助這種優(yōu)化算法來(lái)實(shí)現更加方便。2 試驗分析及問(wèn)題診斷
以一個(gè)案例具體講一下分析流程，當然這里面可能不一定用的是真實(shí)案例的圖片，只是介紹這個(gè)方法。那比如說(shuō)類(lèi)似這種故障診斷型的，前期要做這種相關(guān)的實(shí)驗，最典型的多轉速噪聲問(wèn)題的話(huà)，最基本的一個(gè)實(shí)驗叫做加速噪聲測試，但對于單轉速應用的工業(yè)電機等，要進(jìn)行噪聲分析的話(huà)，也建議做這種加速噪聲測試。因為通過(guò)加速噪聲測試可以得到一些很豐富的信息，尤其這種模態(tài)，共振，共振的轉速點(diǎn)以及共振的模態(tài)點(diǎn)頻率點(diǎn)，可以通過(guò)加速噪聲測試給測出來(lái)。加速噪聲測試一般需要加載，需要測功機，要加一個(gè)聯(lián)軸器，如果需要轉矩再加一個(gè)轉矩傳感器。首先第一個(gè)基本的要求是測噪聲的，沒(méi)條件可以做近場(chǎng)的測試，比如十厘米的位置，有條件就在消音室。然后同步在電機殼體上或者一些關(guān)鍵點(diǎn)的位置布置加速度傳感器，同步要把噪聲和振動(dòng)同時(shí)給測出來(lái)，考慮控制對噪聲的影響要同步測試它的電流信號，轉矩主要可以驗證一些仿真模型，有些測功機其實(shí)比電機本體噪聲可能還要大，所以要進(jìn)行一個(gè)隔聲處理，如果說(shuō)沒(méi)有條件，可能做一些簡(jiǎn)易的隔音箱，有些客戶(hù)也是這么來(lái)做的，但是要注意密封要處理的比較嚴實(shí)，如果泄漏比較大的話(huà)噪聲可能還是會(huì )通過(guò)泄漏孔傳出來(lái)。
做加速噪聲測試就可以得到這個(gè)Colormap圖，那么就可以很明顯得到噪聲的階次，比如像我們這個(gè)電機的階次很顯然它主要是48階，40階也有一點(diǎn)，但40階不是特別明顯，下面是振動(dòng)，要想看他詳細的噪聲數據的話(huà)，可以把它做一個(gè)階次切片，一般在設置軟件里可以很方便做這種切片的提取，比如48階，40階，八極電機電磁噪聲主要階次就是八的倍數，所以你只要提八的倍數就可以了，機械噪聲的話(huà)那就不一定了，我們這里只討論電磁階次噪聲，那你提取8的倍數，很顯然48階的噪聲明顯大于其他階次的噪聲。比如說(shuō)把48階噪聲降下來(lái)的話(huà)，可能這個(gè)噪聲問(wèn)題就基本上降下來(lái)，這里面對應的這個(gè)峰值轉速，4300轉、六千五百轉左右，還有9800轉都是主要問(wèn)題。振動(dòng)也是類(lèi)似的，所以它具有很強的相關(guān)性。那么對問(wèn)題階次問(wèn)題轉速點(diǎn)都分析出來(lái)了，如果是通過(guò)測試的手段，只要根據NVH的一些經(jīng)驗再加上一些理論知識，做一些分析可能大概能推算出來(lái)。但傳遞途徑上，通過(guò)這個(gè)數據的話(huà)，就很難去診斷出來(lái)，或者確定出來(lái)具體是哪個(gè)部位，要想確定部位的話(huà)，可能就要大量布置更多的測試點(diǎn)，對應的這個(gè)麥克風(fēng)、傳感器，然后通過(guò)這些數據分析，可能會(huì )推測出大概的這個(gè)部位是哪里，但這種推測可能不是那么精確。所以有時(shí)候我們也通過(guò)仿真來(lái)驗證，或者通過(guò)仿真來(lái)給出具體的優(yōu)化方向。那么接下來(lái)我們針對這樣一個(gè)故障診斷問(wèn)題的話(huà)，我們一般是采用仿測試仿真相結合的方法，那么剛才是通過(guò)測試，大概能把這些問(wèn)題給定位出來(lái)。（未完待續）相關(guān)介紹：
這里是我們代理的一款聲學(xué)軟件Actran，我們公司主要做的一些聲學(xué)項目，最后的這一部分聲輻射這一塊主要是用Actran來(lái)完成的，其實(shí)主要是用它的一個(gè)基礎模塊就可以了，一個(gè)聲輻射的模塊。
這是我們公司自研的一款電磁力計算軟件，我們開(kāi)發(fā)這個(gè)軟件的背景主要是基于三個(gè)方面。第一目前的一些商業(yè)電磁軟件對電磁力的后處理功能是比較薄弱的，那我們現在是對他一個(gè)補充，我們可以專(zhuān)門(mén)針對電磁力做豐富的后處理，比如說(shuō)一維傅里葉分解二維傅里葉分解或者是colormap圖等等；第二我們可以考慮斜極斜槽對電磁力的影響，目前有些商業(yè)軟件可以考慮斜極斜槽對電磁性能的影響，但是他沒(méi)有辦法考慮斜極斜槽對電磁力的影響；第三我們可以實(shí)現把電磁軟件的力加載到我們結構軟件上，進(jìn)行一個(gè)自動(dòng)化的加載，不光是這種頻譜力，還可以實(shí)現這種階次力的計算和加載，可以打通我們電磁軟件和結構軟件的一個(gè)接口，方便我們進(jìn)行電磁振動(dòng)的計算。
這是我們公司自研的一款電磁噪聲優(yōu)化軟件，主要針對電磁力或者電磁方案的自動(dòng)尋優(yōu)。比如主要的一個(gè)優(yōu)化目標是48階電磁力，這里面可通過(guò)我們軟件來(lái)進(jìn)行設置；第二個(gè)可以通過(guò)優(yōu)化軟件進(jìn)行設置轉速；第三個(gè)優(yōu)化變量，可以針對整個(gè)轉子參數化建模也可以針對某些轉子、某些參數，比如說(shuō)可以只帶一些個(gè)別的參數，在轉子外圓上開(kāi)槽或者是在定子開(kāi)槽等等進(jìn)行一個(gè)局部的參數化建模；那么最后可以通過(guò)這個(gè)優(yōu)化軟件驅動(dòng)電磁軟件進(jìn)行優(yōu)化計算，最終輸出所需要的優(yōu)化模型，然后再做一個(gè)模型篩選，找出所需要的一個(gè)最終的優(yōu)化模型出來(lái)。
這是我們公司開(kāi)發(fā)的一款基于解析法來(lái)快速計算電機電磁噪聲的一個(gè)軟件。主要是趨勢計算，精度可能不是太精確，但可以在前期進(jìn)行快速方案評估。
那想更精確一點(diǎn)分析，可以采用半解析法，這是我們公司開(kāi)發(fā)的一款基于半解析法來(lái)快速計算電機電磁噪聲的一個(gè)軟件。所謂半解析法，就是我們前面的電磁部分是通過(guò)二維的有限元計算輸出氣隙磁密的結果，然后接下來(lái)用我們的這個(gè)軟件把氣隙磁密讀進(jìn)來(lái)，進(jìn)行一個(gè)快速電磁力的計算，后面的像模態(tài)振動(dòng)噪聲等等這部分的計算，我們是直接用經(jīng)驗公式就可以來(lái)完成了，那么這個(gè)可以參考相關(guān)的一些比如說(shuō)我們主要是參考這個(gè)多相電機里面的經(jīng)驗公式來(lái)完成振動(dòng)噪聲的快速求解計算，它這個(gè)就是計算效率很快，可以快速出這樣一個(gè)振動(dòng)噪聲的那個(gè)圖。
這是我們開(kāi)發(fā)的一款振動(dòng)噪聲自動(dòng)化計算軟件，其實(shí)我們后臺主要是集成的Nastran和Actran來(lái)分別完成振動(dòng)的計算和噪聲的計算，只是我們把這兩個(gè)軟件集中在我們這個(gè)界面里做一些簡(jiǎn)單的選擇、填空，然后就可以快速的完成這種模態(tài)、頻響、還有噪聲的自動(dòng)化模型設置求解、后處理等等，最主要的目的就是可以提高我們的工作效率，減少我們的重復勞動(dòng)。
這是磁致伸縮力計算軟件，主要用在大電機上，大電機振動(dòng)噪聲源就不是麥克斯韋力了，小電機可能主要還是麥克斯韋力引起的振動(dòng)噪聲問(wèn)題。但是針對大電機或者針對變壓器，它主要激勵不再是麥克斯韋力，它可能是這樣一個(gè)磁滯伸縮力，并且振動(dòng)噪聲可能它占比也會(huì )更大。
很多情況下是測試仿真不分家，仿真服務(wù)是我們的主要服務(wù)，同時(shí)我們也提供相關(guān)的一些測試。比如說(shuō)我們在做一些項目過(guò)程中，尤其這種故障診斷性的項目，肯定前期要做一些相關(guān)的NVH的測試，那么我們這些相關(guān)的一些測試設備，像典型的模態(tài)測試可以幫助我們校準模型的，或者做一些這種模態(tài)的確定或者模態(tài)的分析，還有些在臺架上做一些加速噪聲的測試或者加速振動(dòng)的測試，這個(gè)一般我們在多轉速問(wèn)題的話(huà)，這個(gè)加速噪聲通常要做的，幫助我們進(jìn)行一個(gè)具體噪聲的定位，還有時(shí)候做一些工作變形的測試，或者是聲源定位的測試等等。
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