基于Motor-CAD和MANATEE的新能源汽车驱动电机多物理域联合仿真计算
1 前言
新能源汽车电机集成度越来越高，对电机的功率密度、转矩密度提出了更高的要求。电机的热性能趋于极限设计，为了充分发挥电机的电磁性能必须将永磁体的利用率达到最大，因此对于电机的设计必须将电机的电磁、热以及转子应力进行耦合分析。并且目前，新能源汽车电机的噪声问题变得越来越突出，电机的电磁振动噪声是设计人员研究的热点问题，而电磁振动噪声的激励源电磁力波至关重要。
Motor-CAD软件提供了电机的电磁、热以及机械应力分析平台，可以方便设计人员进行耦合分析。因此熟悉电机的电磁、热以及机械应力耦合分析流程至关重要，并可通过Motor-CAD实现，与MANATEE联合仿真即可完成电机的电磁振动噪声计算分析。
下图所示为Motor-CAD软件为电机设计工程师提供的电磁、热、机械应力以及电磁振动噪声计算分析耦合方式。
电机电磁、热、机械耦合方式
电磁性能是电机最重要的性能也是必须要实现的，但是电机电磁性能的实现，需要建立在稳定的热性能以及转子机械应力性能的基础上。因此进行电机多物理域仿真分析时必须以电机的电磁性能为主，然后校核电机热性能以及转子机械应力不断反复迭代优化电机。在电机电磁性能设计完成后应对电机的电磁振动噪声进行分析评估，并给出优化方向。Motor-CAD软件与MANATEE软件联合仿真即可实现电机的电磁振动噪声计算与分析。
本文对电机的电磁性能设计、热设计、转子机械应力以及电磁振动噪声的详细设计不做详述仅对四者之间的衔接关系进行详细介绍。
本文以一台150kW新能源驱动电机为例，分析电机的电磁、热、机械应力以及电磁振动噪声性能。
2 电磁分析
在进行电磁分析之前，先建立电机的结构模型、选择并设置电机的材料属性、定电机初始温度并确定电机的求解条件。
电机各部件材料属性
电机求解条件及热磁耦合方式选择
这些条件设置完成后，计算电机的转矩性能并分析电机的转子磁场分布，为后续的机械应力分析提供参考数据。
下图所示红色向量为电机各部分电压向量图，从下图可知电机端电压并未超过电机的母线电压，这样在实际中电机的母线电压能够满足电机的性能要求。
电机各部分电压向量图
下图所示为电机的输出仿真性能，但是这是比较理想的性能仿真。并未真实考虑电机温度对电机材料的影响，并且转子结构隔磁桥和加强筋是否能满足材料的应力需求。
未考虑温度及机械应力的校核电磁计算结果
3 热分析
在电磁分析时，我们选择的损耗MAP到热模块，因此电磁计算各部分损耗结果会MAP到电机的热模型中。如下图所示。Motor-CAD提供了比较简明的热磁切换模块，方便进行仿真，如下图所示。
各个模块的简明切换
热磁耦合方式选择
如图所示为样机的热结构模型，机壳采用轴向水冷方式，可以有效降低电机的温度以及电机绕组轴心部位的温度；采用端部喷淋冷却能够大大降低绕组端部的温度；由于电机轴不温度仅能通过铁芯机壳向外传递，因此采用轴心流体散热可以有效的降低电机转轴的温度。
建立好电机的热模型及热源后，就可以进行电机的稳态仿真。下图所示为电机热计算操作图，仅选择求解稳态、瞬态即可。
电机热计算操作图
下图为电机稳态温度计算结果，从图中可是，由于绕组端部的喷淋散热，大大降低了绕组端部的温度；通过轴向流体散热电机的转子及转轴的温度也大大降低为电机的转子、轴提供了新的散热路径。
电机稳态温度计算结果
电机各部件温度计算完后会自动MAP到电机的各个部分，如下图所示。从图中可知电机的各部分温度均为热计算结果，较之前的假定值更加准确。但是温度的变化会影响电机的电磁性能这时候我们要重新计算电机的电磁结果，如下图所示为考虑了电机温度的电磁计算结果。从图中可知电机的效率有所降低这是因为电机的绕组温度大于之前的100℃引起的，但是电机平均转矩较之前略微变大，这是因为电机的永磁体温度计算后为79.49℃小于之前假定的100℃。
电机稳态温度计算结果MAP到电磁材料中
考虑温度的电磁计算结果
以上就是电机热磁耦合的详细过程，实际上Motor-CAD还提供了更加简明的热磁耦合过程，设置如下图所示。
热磁自动耦合选择及其配置参数设置
4 机械应力分析
Motor-CAD提供了操作简单的机械应力分析模块，此模块主要是针对电机转子应力分析，分析在高速情况下电机的转子各部分应力是否超出电机的转子材料应力属性并且合理的应力分析对于电机电磁性能的优化有重要意义。
下图所示为电机磁场分布图，从图中客户资源两部分隔磁桥的磁密为2.0T，2.15T接近于电机铁芯的饱和区。但是这样的隔磁桥是否能满足机械应力还需要进一步的校核。
电机磁场分布
下图所示为电机在14000rpm时的应力分布图，从图中可知应力最大为468.6MPa，已经超过了材料的屈服强度455MPa。因此电机转速不能超过14000rpm。
电机机械应力分布
电机材料机械特性
为了达到较高的转速可以加宽电机的加强筋，通过图中的改变电机的薄弱点的应力降为271.8MPa，未超过材料的屈服强度。
电机转子薄弱点加宽
电机转子结构改变后应力分布
下图所示为电机加强筋的加宽后的电磁仿真性能，从图中可知电机的转矩较之前降低了10N.m。加强筋加宽会增大电机的磁极漏磁，降低转矩。因此要权衡电磁与应力的关系，以设计出满足特定场合的电机。
电机转子结构改变后的电磁性能输出
5 Motor-CAD与MANATEE的电磁振动噪声耦合分析
Motor-CAD与MANATEE的接口数据为气隙径向和切向磁密，为了能够将电磁力波导入MANATEE软件中进行计算，需在Motor-CAD中计算电机气隙磁密。具体的设置方法为：
电磁力及磁密在时间和空间上点数的设置
径向、切向力波设置查看
计算完成后需要应用Motor-CAD软件的后处理功能，对电机的气隙磁密的时空数据进行具体的读写，并保存为Excel文件格式，具体的如下所示。
磁密数据读取
Bt数据文件
得到的Excel格式磁密数据如下所示，并将Excel格式转化为cvs格式。在Matlab软件编译环境下，读取cvs格式的并保存为Matlab的.mat格式。为了实现上述功能我们编译了matlab M文件实现上述功能。
然后将.mat格式数据导入MANATEE中，利用软件中自带的结构模块计算电机定子结构模态，进而求取电机的振动噪声。
MANATEE导入磁密设置
通过MANATEE对电机的噪声进行计算分析，下图所示为电机的空载径向气隙磁密及其FFT，从图中可知5、7、9、11、13以及高次齿谐波较大。
空载径向气隙磁密及其FFT
下图所示分别为电机的径向力波2维FFT分解。从图中可知，空间阶数为0、8；这是共振的主要来源。其中图中标出的为主要的力波源。
电机的径向力波2维FFT分解
下图所示电磁振动加速度变速频谱，从图中可知，在全速范围内电机振动主要来源2f、4f、8f等。
电磁振动加速度变速频谱
下图所示电磁噪声变速频谱，从图中可知，在全速范围内电机噪声来源主要为：8阶22f以及0阶12f。
电磁噪声变速频谱
下图所示为电机变速电磁噪声声压曲线。从图中可知噪声的峰值主要力波来源为：0阶12、36倍频；8阶22倍频。
电机变速电磁噪声声压曲线
通过分析可知：在电机空载下，噪声的主要力波来源为：0阶12、24倍频；8阶22倍频。其中0阶12倍频（48阶次，相对转频）引起的电磁噪音最大。负载工况下分析方法类似不再累赘。
6 结论
本文依托一台150kW新能源驱动电机为分析样机，为电机设计工程师提供了电磁、热、机械应力以及电机电磁振动噪声分析优化的流程。
Motor-CAD提供了较为方便的电磁、热、机械应力计算分析的模块，并且为电磁热耦合提供了单向、双向耦合方式，方便用户应用；提供了电机丰富的散热功能，例如机壳水冷以降低电机绕组中部温度、喷淋冷却降低绕组端部的温度、轴心流体冷却提供转子新的冷却路径，以降低转子及永磁体的温度。电机电磁、热、机械应力是以电磁为中心相互耦合的，具体的过程为：热影响电机的材料属性从而影响电机的电磁性能，不同的电磁性能有不同的损耗，进而影响电机的热计算；为了满足不同场合的性能会直接影响转子加强筋的宽度，进而影响电机的电磁性能。
通过与MANATEE联合仿真实现电机的电磁振动噪声计算与分析，由上分析可知，合理的气隙磁密波形优化，能够在不增加结构重量及材料成本，不改变电机定子及机座结构的基础上，降低电机噪声，提高声品质。
来源：西莫电机论坛
