噪声、振动和声振粗糙度（NVH）是电机设计与性能的关键因素。过高的NVH会导致产品寿命缩短、维护成本增加和客户满意度下降。因此，在设计阶段早期解决NVH挑战至关重要，以避免设计阶段后期出现重大NVH问题。
电机NVH分析本质上是一个结合了电磁和机械分析的、复杂的多物理场问题——因为电机NVH问题通常源于电磁力与结构组件（如定子）之间的相互作用。因此，全面了解电机的电磁和机械属性对于准确预测其NVH性能至关重要。
Ansys Motor-CAD电机设计工具是一款专用解决方案，可用于在整个扭矩-速度范围内对电机进行多物理场仿真。利用该工具，用户能够在同一个用户界面中评估电磁、热和机械性能。将电磁和机械模块集成到Motor-CAD软件中，可实现快速NVH分析，从而促进电机设计的迭代优化。这种方法使用户能够调整关键设计参数（例如绕组配置、转子和定子几何结构以及结构材料），并快速评估其对NVH性能的影响。此外，这种灵活性有助于用户在性能、成本和NVH特性之间实现最佳平衡。
为了进行快速NVH分析，Motor-CAD软件使用一种分析机械模型，将定子几何结构简化为简单的环形结构。然而，其在刚度计算方面有局限性。例如，当齿底较宽时，就会发生这种情况——如图1所示，齿部几何结构会影响定子轭刚度。
图2比较了未调谐的Motor-CAD等效辐射功率（ERP）水平与图1所示电机在Ansys Mechanical结构有限元分析（FEA）软件中的结果。Motor-CAD解析模型可准确预测由三阶力谐波激励的第0阶模态（膨胀模态）。然而，由于宽齿底对定子轭刚度的影响，它无法有效预测由二阶力谐波分量激励的第6阶模态（六边形模态）。第6阶模态的差异会影响NVH预测的整体准确性。
图1：具有宽齿底的定子
图2：Ansys Motor-CAD软件与Ansys Mechanical软件之间的ERP比较：（上）由三阶力谐波激励的第0阶模态，（下）由二阶力谐波激励的第6阶模态
图3展示了Mechanical软件的模态分析结果，显示第0阶模态和第6阶模态分别发生在4711.7 Hz和4456.3 Hz。如图3b所示，第6阶模态的固有频率值存在显著差异，可以对Motor-CAD NVH模型进行调谐，使其与Mechanical软件计算出的固有频率值保持一致。
图4展示了如何调整模态参数，以调谐Motor-CAD NVH模型。为了匹配第6阶模态的固有频率，可以使用图4b中所示的方程轻松计算所需的刚度值，该方程源于固有频率的定义。
图3a（左）和3b（右）。Mechanical软件的模态分析结果：（左）第0阶模态，（右）第6阶模态
图4a（左）和4b（右）。模态参数调谐
输入新的模态参数后，Motor-CAD NVH模型将自动调谐，NVH分析结果将在几秒钟内更新。调谐的模型可以更准确地预测ERP水平，如图5所示。
图5a（上）和5b（下）。调谐的Motor-CAD软件与Mechanical软件之间的ERP比较：（上）由三阶力谐波激励的第0阶模态，（下）由二阶力谐波激励的第6阶模态
如图6所示，调谐的Motor-CAD NVH模型与来自Mechanical软件的完整有限元分析结果密切相关。
图6：Motor-CAD软件与Mechanical软件之间的结果ERP比较
Motor-CAD软件中的NVH调谐操作简单直观，只需一次模态分析或测试数据即可调谐模态参数。正确调谐NVH模型后，我们可以在Motor-CAD软件中运行NVH分析，以便更好地了解整个工作范围内的噪声特征。最终，这将有助于避免产品重新设计和发布延迟，并且从长远来看可以有效节省时间和资金。
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