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。
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、結構和聲學的分析。」
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。
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。
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)。
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。
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。
電動動力總成讓車輛更安靜,卻讓馬達噪音成為新的設計焦點。加拿大麥克馬斯特大學 CERC 團隊利用 Actran 對開關磁阻馬達進行電磁力、結構與聲學耦合分析,在不更改馬達硬體的前提下,透過電流控制降低噪音。
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