Ansysは、シミュレーションエンジニアリングソフトウェアを学生に無償で提供することで、未来を拓く学生たちの助けとなることを目指しています。
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騒音、振動、ハーシュネス(NVH)は、電動モータの設計と性能に大きく影響する重要な要素です。過剰なNVHは、製品寿命の短縮、メンテナンスコストの増加、そして顧客満足度の低下につながる可能性があります。設計の初期段階でNVHの課題に対処することは、設計サイクルの終盤にNVHに関する大きな問題が生じるのを回避するために不可欠です。
モータのNVH解析は、電磁界解析と構造解析を組み合わせた複雑なマルチフィジックスシミュレーションです。これは、モータのNVHに関する問題は、通常は電磁力とステータなどの構造コンポーネントの相互作用に起因しているためです。そのため、NVHパフォーマンスを正確に予測するには、モータの電磁特性と機械特性の両方を包括的に理解することが必要です。
電動モータの設計ツールであるAnsys Motor-CADは、トルク-速度の全範囲にわたる電動モータのマルチフィジックスシミュレーションに特化したソリューションです。電磁界、熱、および機械的な性能を1つのユーザーインターフェースで評価できます。Motor-CADでは電磁界モジュールと機械モジュールが統合されているため、高速なNVH解析が可能になり、モータ設計の反復による最適化が容易になります。このアプローチにより、巻線構成、ロータおよびステータのジオメトリ、構造材料などの主要な設計パラメータを調整して、NVHパフォーマンスへの影響を迅速に評価できます。また、優れた柔軟性により、性能、コスト、NVH特性の最適なバランスを実現できます。
Motor-CADでは、迅速なNVH解析を行うために、ステータジオメトリを単純なリング構造に簡素化する解析的な機械モデルを使用します。ただし、剛性計算には制限があります。たとえば、図1に示すように、歯の底が広く、歯のジオメトリがステータヨークの剛性に影響を与える場合に制限が生じます。
図2では、調整されていないMotor-CADの等価放射パワー(ERP: Equivalent Radiated Power)レベルと、構造有限要素法解析(FEA)ソフトウェアのAnsys Mechanicalを使用して図1のモータを解析した結果を比較しています。Motor-CAD解析モデルでは、第三高調波成分によって励起された0番目のモード(伸縮モード)が正確に予測されます。しかし、歯の底が広いジオメトリがステータヨークの剛性に与える影響により、第二高調波成分によって励起される6番目のモード(六角形モード)は適切に予測されません。この6番目のモードにおける不一致が、NVH予測の全体的な精度を低下させます。
図1: 歯の底が広いステータ
図2: Ansys Motor-CADとAnsys MechanicalのERPの比較: (上)第三調波成分によって励起された0番目のモード、(下)第二高調波成分によって励起された6番目のモード
図3は、Mechanicalで実行したモーダル解析の結果を示しています。0番目のモードは4711.7Hz、6番目のモードは4456.3Hzで発生しています。図3bに示すように、6番目のモードの固有振動数値で大きな違いが見られるため、Mechanicalで計算された固有振動数値に合わせて、Motor-CADのNVHモデルを調整できます。
図4は、モーダルパラメータを調整して、Motor-CADのNVHモデルを調整する方法を示しています。6番目のモードの固有振動数に一致させるには、固有振動数の定義から導出された図4bに示す数式を使用して、必要な剛性値を簡単に計算できます。
図3a(左)および3b(右): Mechanicalのモーダル解析結果: (左)0番目のモード、(右)6番目のモード
図4a(左)および4b(右): モーダルパラメータの調整
新しいモーダルパラメータを入力すると、Motor-CADのNVHモデルが自動的に調整され、NVH解析の結果がわずか数秒で更新されます。調整後のモデルは、図5に示すように、ERPレベルをより正確に予測できます。
図5a(上)および5b(下): 調整されたMotor-CADとMechanicalのERP比較: (上)第三調波成分によって励起された0番目のモード、(下)第二高調波成分によって励起された6番目のモード
図6に示すように、調整後のMotor-CADのNVHモデルは、Mechanicalの有限要素法解析の結果と非常に良く相関しています。
図6: Motor-CADとMechanicalから結果として得られたERPの比較
Motor-CADでのNVH調整はシンプルで使いやすく、モーダルパラメータを調整するために必要となるモーダル解析またはテストデータは1つだけです。NVHモデルを適切に調整した後、Motor-CADでNVH解析を実行することで、全動作範囲にわたる騒音特性をより深く理解できるようになります。この機能により、製品の再設計やリリースの遅延を回避でき、時間とコストの両方を節約できます。
Motor-CADの無料トライアルにお申し込みください。また、Motor-CADのNVHモデルの調整方法を説明した以下の動画もご覧ください。
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