加拿大名校『McMaster University麥克馬斯特大學』利用Actran進行” 馬達噪音優化 “
行 業 挑 戰
交通運輸行業面臨很多新技術的挑戰。 其中，替代傳統內燃機的電動動力總成雖然使得車輛更加安靜，然而對噪音和振動提出新的挑戰，特別是馬達的設計。 為了 馬達噪音優化 設計出性能和聲學舒適度都符合預期的高效能動力設備，工程師需要採用新的方法和工具。
一般來說，扭矩是馬達設計最主要的目標，使得馬達在規定速度範圍內能提供足夠的動力。 而其他的設計， 如效能分析、徑向力分析、結構分析和聲學分析等緊隨其後。
“聲學分析應該成為這個流程中的一部分而不應該是最後考慮的事情。” Berker Bilgin博士說道。 馬達噪音主要是由於電磁徑向力引起靜子結構振動產生。 一旦馬達設計已經完成，再想降低噪音會變得非常困難。因此 馬達噪音優化 是非常重要的。
靜子的振型和固有頻率對振動噪音產生影響。 但是，不是所有的噪音都由 結構共振 產生。 強 的 徑 向 簡 諧 力 有 時 足 以 引 起 結 構 的 振 動 ，成為噪音的主要來源。 另外，靜子或者馬達結構的改變，或者電力控制的變化都對電磁力有影響，因此也會改變電磁場和聲學的表現。
所以Berker Bilgin博士強調”一個有效的馬達開發流程應該包含電磁力的預測、結構和聲學分析。”
圖1 . 24/16牽引開關磁阻馬達的電磁力
MSC 解 決 方 案
過去，研究所、馬達 和 軌道 交通行業在馬達開發流程中被迫製造很多物理樣機，既增加了成本，又延長了交貨時間。 另外，由於當今的馬達是 高度的非線性 ，通過解析表達式預測徑向力誤差很大根本不可行。 特別是對於複雜的幾何外形和降噪方案更沒有參考價值。 這裡展示了一個在 Actran 中進行噪音建模的案例。 模 擬 結 果 分 別 顯 示 在 圖2 和 圖3 中。 模擬不僅可以減少物理樣機的使用，而且可以讓研究者在最後物理樣機測試前能夠進行更多擴展性的研究分析。
圖2 . 在Actran中進行牽引馬達的振動和噪音類比
圖3 . 在Actran中進行振動和噪音的模擬
全 頻 率 域 的 振 動 和 噪 音
麥克馬斯特工程師使用Actran對馬達在整個寬頻域和各種轉速下進行 振動 和 聲學 的分析。
從2000-3000rpm到8000-10000rpm，無論什麼樣的應用場景何種轉速，Actran結果和實驗對照的準確性都讓Bilgin博士團隊信服。 因此他們選用Actran用來分析 結構 的振型和 聲學 的響應。
準 確 描 述 複 雜 的 三 維 幾 何 外 形 和 相 關 的 動 力 學 特 性
Actran的一個非常重要的附加值是在設計流程中可以識別出對噪音貢獻最大的徑向簡諧力，並且可以獲知是否可以在不影響扭矩的情況下得以減小。 而且Actran可以處理複雜的三維幾何外形，可以準確計算非常有挑戰性的模態振型，特別是軸向的振型（見圖4）。
圖 4 . Actran中模擬16/24牽引開關磁阻馬達的模態振型
“一旦馬達的振型和固有頻率確定，我們就可以預測哪一階徑向力是引起主要噪音的來源，可以進一步回歸到電磁設計中減小徑向力。”
結 果 和 校 驗
麥克馬斯特研究者通過將Actran引入設計流程中開發了 電流控制技術 。 “我們不用更改馬達，通過優化電流實際上就可以降低噪音，因為徑向力與靜子的激勵有關。 我們在實驗中驗證了這種方法可以降低開關磁阻 馬達噪音 。 “Berker Bilgin博士說。
模擬工具的使用極大的減少了物理樣機的使用，而且也使產品開發中更多更深入的分析成為可能。 模擬的另外一個附加值得益於Actran的三維模擬能力，對細節進行類比。 另外，Actran可視化功能讓學生們做更加深入的研究。
未來混合動力專案組CERC計劃研究如何在不影響扭矩表現的前提下改變 結構模態 、聚焦到關注馬達的電流控制或者類比馬達的阻尼比進而更準確的預測和 降低馬達的噪音。
圖5 . 由混合動力專案CERC的研究者設計的牽引混合電車（HEV）中的24/16開關磁阻馬達
圖6 . 由混合動力專案CERC的研究者設計的牽引電自行車中的12/16開關磁阻馬達
關於 CERC
混合動力專案中的CERC是麥克馬斯特大學的一個大概有80人多學科專案的研究組，大部分是來自 軌道交通行業 、 電動汽車 、 電動自行車 、 電動交通 和 航空 的合作夥伴。
Berker Bilgin博士管理著這個開發 高性能開關磁阻馬達驅動 專案組。 特別感謝麥克馬斯特大學Liang Jianbin博士研究生提供本文中的圖片。
CAE 技 術 集 成 的 先 進 性 使 開 發 時 間 和 所 耗 資 源 減 少。
Actran 應 用 ：
- 動力總成 ，變速箱和電動發動機的雜訊預測
- 發動機進氣和排氣系統聲學特性
- 後視鏡和空調環控系統的氣動-振動-雜訊分析
- 輪胎和通過噪音評估，包括聲學處理優化
- 車輛內部聲學舒適度，包括全內飾車身的NVH性能評估和聲學包優化
- 多層結構聲學傳輸損耗預測，考慮隨頻率變化的聲學處理效應
- 傳輸路徑分析和設計變更影響比較
- 考慮安裝效果（結構振動、吸聲等）的風扇雜訊評估
- 音響設備集成性能評估
- 飛機進氣和排氣雜訊的聲學處理和機艙設計優化
- 機身氣動雜訊的傳播預測
- 水下雜訊傳播
- 高強度隨機聲載荷和振動導致的振動聲疲勞預測
技 術 特 點 ：
- GUI 支 援 高 級 結果 視 覺 化 ，包 括 專 用 的 聲學後處理功能（極座標圖，3D方向圖，貢獻 圖，聲學量）
- 具 有 基 於 聲學 標 準 的 嵌 入 式 聲學測點生成功能（ISO 3744 ， ISO 3745 ，SAE J1074和 IEC 61672-1）
- 根 據 使 用 者 的 需 求 自 訂 的 介 面
- 基 於 自 我 調 整 求 解 器 的 網 格 劃 分 技 術 ，可 實 現 高 效 計 算 並 減 少 用 戶 網 格 劃 分 工 作
- 高 度 集 成 到 多 體 時 功 能 變 數 代 碼 Adams 和 CFD 代 碼 scFLOW 中 進 行 聯 合 模 擬
- 與 結構分析 FEA軟體 （如MSC Nastran） 進 行 聯 合 模 擬
- 分 析 靜 態 介 質 和 複 雜 流 動 中 的聲 音 傳 播 和 輻 射
- 使 用 無 限 單 元 和 自 我 調 整 完 美 匹 配 層 （APML） 模 擬 自 由 場 輻 射
- 在 小 空 間 流 體 中 建 立 聲學粘熱損失模型
- 採 用 直 接 頻 率 法 或 模 態 頻 率 法 進 行 振 動 – 聲學耦合分析
- 豐 富 的 結 構 單 元 庫 ：實體、殼體、梁、彈簧、剛體、多層複合結構 等
- 基 於 BIOT 理 論 的 多孔彈性單元庫 ，用 於 通 過 體 積 作 用 的 聲學材料建模
- 用 於 有 源 結 構 建 模 的 壓 電 單 元 庫
- 隨 機 載 荷 ：擴散聲場，湍流邊界層 等
- 使 用 線 性 和 二 階 單 元 進 行 2D 、3D 和 軸 對 稱 模型分析
- 從 定 常 和 非 定 常 的 CFD 結果（SNGR技術，Lighthill和Möhring類比）中，提 取 氣動聲源， 預 測 由 湍流 引 起 的 雜 訊
- 支 持 CFD 代 碼 自 有 檔 案 格 式
- 基於有限元和虛擬SEA方法的低、中和高頻求解功能
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