借助 Manatee提升电驱动 NVH测试与仿真的相关性

在我们Manatee系列的最后一篇中，让我们探讨Manatee的变革能力，这是一款关键工具，能够管理电动机和驱动器的磁噪声和振动。

本文将探讨 Manatee 这款工具的变革性功能，它是管控电机及驱动器磁噪声与振动的核心工具。工程师通过遵循声学标准，能够优化设计方法，在电机设计中提升噪声管控水平与系统整体效率。

核心要点

• Manatee 是解决电机噪声与振动问题的重要工具，能助力提升工程设计成果的质量。

• 理解电机及驱动器的磁噪声与振动特性：想要弥补测试与仿真结果之间的差距，就必须掌握电驱动噪声、振动与声振粗糙度（e-NVH）的相关知识。

• 保持测量的一致性：开展有效对比时，需始终使用统一的计量单位（声压级与声功率级），并精准输入各项参数。

• 明确噪声源：排除机械噪声与气动噪声的干扰，才能对电磁噪声做出精准评估。

• 重视阻尼的作用：仿真中需考虑实际的模态阻尼，因其会对声学特性产生显著影响。

• 遵循标准规范：严格按照声学测量标准开展工作，能提升噪声评估结果的准确性与可靠性。

引言

Manatee 正在改变我们应对电机噪声与振动问题的方式。

这款先进的工具最初为提升咨询工作效率而设计，实践证明，它能有效排查并抑制由磁致力引发的噪声问题。目前 Manatee 已成功应用于 200 多个电气化系统，是预测和管控电机噪声的重要工具，能帮助工程师优化产品设计、提升系统整体性能。

如果你是初次接触 Manatee，我们发布的 Manatee 入门介绍博文能为本文的探讨提供详实的背景知识。

在初步设计阶段，工程师可借助 Manatee 探究引发噪声与振动的物理现象，并设计相应的降噪方案。这一设计阶段并不要求，也无法实现测试与仿真结果的完全匹配。但在后续设计阶段，当可获取的输入数据更为丰富时，就能实现测试与仿真的良好相关性。本文将探讨避免测试与仿真结果出现偏差的关键考量因素。

声压级与声功率级的对比

对比测试与仿真结果时，使用统一的计量单位至关重要。Manatee 中声学噪声级既可以用声功率级（SWL）表示，也可以用声压级（SPL）表示。

声压级的测量操作虽简便，但测量结果会存在诸多不确定因素，比如背景噪声、混响效应以及指向性影响。因此，利用声压级开展对比分析时，需要格外谨慎。在 Manatee 中使用解析声压级模型时，需明确噪声、振动与声振粗糙度（NVH）测试的实际房间常数，才能准确考量混响效应的影响。

在 Manatee 中对比声压级的实测结果与仿真结果时，务必准确输入以下参数：

• 传声器与电机中心的实际距离

• 实际的指向性系数

• 混响场的实际房间常数

电机的测试通常在工厂内开展，此类环境下的指向性系数往往并非理想值，混响场也存在不确定性，这会导致声压级的仿真结果与实验结果的偏差最高可达 ±10 分贝。

为了实现有效的结果对比，建议按照声学标准（如 ISO 3745、ISO 3744、ISO 3746）开展声功率级的测量工作。

在加载测试工况下，被测电机的声功率级测量结果需剔除背景噪声与加载设备的噪声干扰，因此建议采用声强法（符合 ISO 9614 标准）进行测量。

机械与气动寄生噪声源

在对比由电磁力引发的声功率级实测结果与仿真结果时，需确保实验中排除了气动噪声、机械噪声等非磁源性声学噪声的干扰。需要注意的是，在特定应用场景中，气动噪声的频率可能与电磁噪声一致。

此外，Manatee 支持导入齿轮噪声等非磁源性噪声数据。

噪声辐射路径

Manatee 提供了多种建模精度等级，适用于概念设计至初步设计的各个阶段。在设计初期，半解析振动声学模型主要考量电机外部结构辐射的空气传播噪声。

但实验中往往会检测到部分结构内部噪声，这也是导致测试与仿真结果出现偏差的原因之一。结构内部噪声由磁致力激励转子产生，工程师可将 Manatee 与三维有限元（FEA）机械模型结合使用，通过电磁振动合成算法将这类噪声纳入仿真考量范围。

为了准确估算结构内部噪声，转子的有限元模型（尤其是转子弯曲模态与转子 - 壳体耦合模态）必须与实验数据相匹配。此外，转子的存在会对部分定子模态产生影响（例如一端固支、一端自由的定子弯曲模态），若仿真分析中忽略转子，会导致空气传播噪声的计算结果与实测结果出现偏差。

当电机安装在外壳中，且在 Manatee 中利用电机外壳的外轮廓节点计算声功率级时，仿真结果仅会考量结构传播噪声（由电机振动传递至外壳引发），而忽略了电机通过缝隙辐射的空气传播噪声。这些缝隙的噪声辐射会增加系统的总噪声级。

阻尼

模态阻尼是实现磁激励下声功率级与振动功率级精准仿真的关键参数，电机中的模态阻尼通常在 0.5% 至 4% 之间。模态阻尼无法通过数值计算获得，其大小受温度、树脂类型、绕组工艺以及模态 / 频率等多种因素影响。

Manatee 的默认仿真流程采用 2% 的平均阻尼值，这会导致共振峰处声功率级的仿真结果与测试结果出现 - 12 分贝至 + 6 分贝的偏差。

我们强烈建议通过分步实验模态分析，量化实际应用中的模态阻尼。若仿真中采用实测的阻尼数据，振动级与声级的仿真偏差可降至 ±3 分贝。

此外，若仿真所采用的模态基无法真实反映实际情况，也会导致仿真与测试结果出现偏差。

结构模态

当仿真采用的模态基无法真实反映实际情况时，测试与仿真结果就会出现偏差，主要原因包括以下几点：

• 三维有限元机械模型中缺失转子部件

• 三维有限元机械模型未结合实验数据进行拟合修正

• 三维有限元机械模型的拟合修正基于非工作状态的边界条件（如自由 - 自由边界）

• 特定几何结构下，磁预应力对结构模态产生的刚度增强效应

• 冷却介质（如油膜、水套）对结构模态与阻尼的影响

磁不对称与几何不对称

偏心现象以及几何 / 磁不对称，会因产生额外的磁致力谐波引入新的共振，进而对振动与噪声级产生显著影响。

尤其是偏心现象，会通过不平衡磁拉力（UMP）谐波调制所有脉动力，极易激发不同的结构模态。若在 Manatee 中仿真的是对称结构电机，会发现仿真结果中缺失部分实验检测到的共振峰。

建议开展以下测量工作：

• 测量相电流、电阻与电感（用于评估电流不平衡度）

• 评估由制造工艺限制引发的绕组匝数分布不均问题

• 测量定子内径（用于识别气隙不均匀问题）

• 对转子进行动平衡，并测量静偏心与动偏心（包括直接机械测量与间接电气测量），同时检测锥形偏心

• 检测内置式永磁同步电机（IPMSM）转子沿轴向与周向的磁化情况（用于识别磁化不均匀问题）

电流波形

定子电流的波形会影响磁激励谐波的特性，这也是导致测试与仿真结果出现偏差的原因之一，尤其是在 Manatee 中采用正弦电源仿真时，偏差会更为明显。产生这类偏差的因素主要包括：

• 相电流不平衡

• 感应电机中的反电动势相带谐波或转子槽谐波（RSH/PSH）

• 变流器引入的低频分量，包括 5 倍频 / 7 倍频电压谐波

• 设备故障产生的寄生谐波

为了解决上述问题，建议测量三相电流并将其纳入 Manatee 的仿真分析中，以此评估电流对电驱动 NVH 特性的影响。

数据采集与后处理

图1：频率分辨率较差。

图2：时间分辨率差。

从数据采集系统获取的信号，通常需要通过特定算法进行后处理，如短时傅里叶变换（STFT）、转速提取以及阶次跟踪分析。这些后处理技术中所采用的参数，会对处理结果产生显著影响。

除了确保测试装置的准确性，还需重视后处理过程的精度。例如，利用短时傅里叶变换生成频谱图时，需要在时间分辨率与频率分辨率之间做出权衡。对比阶次级时，建议采用同步采样而非固定采样的方式。

阶次提取需在指定的带宽内对能量进行积分计算。在对比测试与仿真的分贝值之前，建议对这些后处理参数开展灵敏度分析。

电机中的流固耦合

以下现象会对电驱动系统的噪声与振动性能产生影响：

• 温度：磁体温度会影响剩磁通量与磁致力谐波的幅值

• 磁滞回线（B (H) 曲线）：若系统特性对基频高度敏感，磁计算中需纳入该曲线的影响

• 轴向磁致力：由转子斜极或轴向不对中引发

• 转速波动或负载变化：这类因素通常未纳入数值仿真考量范围

• 强机电耦合：包括离心力与不平衡磁拉力引发的偏心共同产生的效应

• 陀螺效应：对高速电机，或磁路在离心力作用下发生变形的电机影响显著

• 强转子振动：这类振动会调制磁通，且其产生原因与磁致力无关

• 强流固耦合：适用于水下电机、水冷电机等应用场景

建模精度

Manatee 提供了多种建模精度等级，在对比 Manatee 仿真结果与实验数据时，若出现偏差，需逐步提升建模的细节程度。具体要求如下：

电磁载荷需通过电磁有限元分析（FEA）进行计算

• 结构响应需采用包含转子与定子的三维机械有限元模型进行评估，且模型需结合实验数据完成拟合修正

• 以下两种情况中，需在自由场条件下，通过三维声学有限元分析（FEA）或边界元法（BEM）评估声学响应：

系统存在低频噪声问题时，等效辐射功率模型会高估声级

电机外壳存在显著的声学泄漏时

结论

综上，Manatee 是解决电机噪声与振动问题的核心工具。将其融入电机设计流程，工程师能够系统地分析电驱动系统的噪声与振动性能。在利用 Manatee 开展验证工作时，必须避免仿真与实验结果出现偏差。相关从业者通过遵循公认的声学标准、制定统一的测量规程，能提升噪声评估结果的有效性。而排除非电磁噪声源、纳入阻尼效应等关键考量，也能为精准建模提供重要支撑。这种系统化的方法不仅能优化电机的设计，还能提升其各项性能指标，让 Manatee 在电气化系统的噪声与振动工程领域中占据核心地位。