噪音、振動與粗糙度 (NVH) 是影響電動機設計與性能的關鍵因素。過高的 NVH 會導致產品壽命縮短、維修成本上升，並降低客戶滿意度。在設計初期處理 NVH 問題至關重要，可避免後期出現重大 NVH 問題。
馬達 NVH 分析本質上是一項複雜的多物理問題，結合了電磁與機械分析。這是因為馬達的 NVH 問題通常來自電磁力與結構元件 (例如定子) 之間的交互作用。因此，全面瞭解馬達的電磁與機械特性，對於準確預測其 NVH 表現至關重要。
Ansys Motor-CAD 電動馬達設計工具是專為涵蓋完整轉矩-轉速範圍的電動機進行多物理模擬的專用解決方案。它讓使用者能在單一介面中評估電磁、熱與機械性能。Motor-CAD 軟體中整合的電磁與機械模組可實現快速 NVH 分析，進而促進馬達設計的迭代最佳化。這種方法讓使用者能調整關鍵設計參數，例如繞組配置、轉子與定子的幾何形狀，以及結構材料，並迅速評估它們對 NVH 性能的影響。這項彈性有助於在性能、成本與 NVH 特性之間達成最佳平衡。
為實現快速 NVH 分析，Motor-CAD 軟體使用一種分析型機械模型，將定子的幾何形狀簡化為簡單的環形結構。然而，該模型在剛性計算上有其限制。例如，如圖 1 所示，當齒底較寬時會出現此問題，而齒部幾何形狀會影響定子軛部的剛性。
圖 2 比較了圖 1 所示馬達在未經調校的 Motor-CAD 所得等效輻射功率 (ERP) 與 Ansys Mechanical 結構有限元素分析 (FEA) 軟體所得的結果。Motor-CAD 的分析模型能準確預測由第三階力諧波激發的第零模態 (膨脹模態)。但由於寬齒底會影響定子軛部剛性，因此該模型無法有效預測由第二階力諧波激發的第六模態 (六邊形模態)。第六模態的差異會影響整體 NVH 預測的準確性。
圖 1.寬齒底的定子
圖 2.Ansys Motor-CAD 與 Ansys Mechanical 軟體之間的 ERP 比較：(上) 由第三階力諧波激發的第零模態，(下) 由第二階力諧波激發的第六模態
圖 3 顯示來自 Mechanical 軟體的模態分析結果，指出第零模態與第六模態分別出現在 4711.7 Hz 與 4456.3 Hz。如圖 3b 所示，第六模態的自然頻率值有顯著差異，而 Motor-CAD NVH 模型可透過調校與 Mechanical 軟體計算出的自然頻率值對齊。
圖 4 說明如何調整模態參數以調校 Motor-CAD NVH 模型。為了對齊第六模態的自然頻率，可使用圖 4b 所示的公式輕鬆計算所需的剛性值，該公式源自自然頻率的定義。
圖 3a (左) 與 3b (右)。Mechanical 軟體的模態分析結果：(左) 第零模態，(右) 第六模態
圖 4a (左) 與 4b (右)。模態參數調校
輸入新的模態參數後，Motor-CAD NVH 模型會自動完成調校，並在數秒內更新 NVH 分析結果。如圖 5 所示，經調校的模型能更準確地預測 ERP 水準。
圖 5a (上) 與 5b (下)。經調校的 Motor-CAD 軟體與 Mechanical 軟體的 ERP 比較：(上) 由第三階力諧波激發的第零模態，(下) 由第二階力諧波激發的第六模態
如圖 6 所示，經調校的 Motor-CAD NVH 模型與 Mechanical 軟體的完整有限元素分析結果高度吻合。
圖 6.Motor-CAD 軟體與 Mechanical 軟體之間的 ERP 結果比較
在 Motor-CAD 軟體中進行 NVH 調校相當簡單直觀，只需一次模態分析或測試資料即可調整模態參數。當 NVH 模型完成調校後，我們即可在 Motor-CAD 軟體中執行 NVH 分析，以更深入瞭解全運轉範圍內的噪音特性。這最終將有助於避免重新設計與產品上市延誤，從而在長期節省時間與成本。
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