【馬達設計】如何設計一個安靜的電動引擎？

隨著電動汽車（EVs）的出現，電動馬達的噪音和振動分析已成為電動動力系統設計中非常重要的一部分。電動牽引馬達現在是EV中唯一的推進部件，其噪音不再被發動機所掩蓋。因此，設計一個安靜的馬達至關重要，因為任何不需要的馬達嗡鳴都會對駕駛員產生不愉快的噪音和振動。然而，減少不需要的馬達噪音絕不僅限於電動牽引馬達。在許多其他馬達應用中，如工業驅動、暖通空調和風力渦輪機，減少馬達噪音和振動都是重要的設計方面。

我的電機設計有多吵？

如何改進設計以減少噪音？

電動馬達的設計是一個涉及多個物理領域的複雜過程。在設計過程的早期階段，馬達設計師需要評估他們的設計有多嘈雜，這時能夠輕松進行變更。為此，馬達設計師在他們的電動馬達概念設計階段需要訪問一個快速的噪音、振動和粗糙度（NVH）分析工具。馬達設計師可能會希望減少電磁激發，下面的例子顯示，如果我們要減少噪音，考慮馬達對這些激發的聲學響應是非常重要的。

根據以下範例，聲學響應中的最高峰出現在每分鐘8,400轉和9,600轉。從頻譜圖中，我們清楚地看到在這些轉速下，峰值發生在第12和第14諧波順序穿越定子結構的固有頻率（F0和F8）時。

對徑向力激發進行的二維快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）分析顯示，範例中馬達的最大噪音響應來自下面繪圖中突出顯示的三個小激發。這些小諧波之所以產生如此大的響應，是因為對於這些特定形狀和頻率順序，定子結構更加靈活。

這凸顯了一種結合激發和響應的方法的重要性，這使工程師能夠在設計過程的早期階段迅速評估噪音和振動。如果研發人員僅關注減少電磁激發，將不會擔心這些小的激發；然而，這些對於此馬達產生的噪音至關重要。在這種情況下，為了減少噪音，研發人員可以專注於減少定子響應，而不是進一步減少已經很小的激發。

定子響應由定子結構的模態行為所定義，這是由其尺寸和材料確定的。減少定子響應的一種方法是加厚定子背鐵，從而增加其剛度和固有頻率。這將減小在共振峰值的噪音振幅，並增加共振發生的馬達速度。理想情況下，我們將增加這個速度，直到共振發生在馬達的最大運行速度之上。

上面顯示的NVH分析工具是Ansys Motor-CAD的最新添加。Ansys Motor-CAD 提供全新NVH解決方案，電機設計人員在設計初期可以快速評估並避開未來可能發生的振動噪音問題。NVH分析工具使用有限元分析（FEA）和分析方法的組合，因此模擬時間很短。這使馬達設計師能夠將NVH分析納入他們的多物理概念設計中，並在早期進行設計更改以避免噪音問題。

資料來源 Ansys Blog