一个多世纪以来，电动机一直使世界变得“圆”。社会首次享受从电动风扇到汽车的一切好处，人们可能会要求使这些机器变得安静。我们从电动机中听到的声音是一种多物理现象，因为电动机的电磁活动通过机器和周围的空气都会发送振动。使用ComsolMultiphysics®软件，我们可以模拟由永久磁铁同步电动机（PMSM）以不同旋转速度产生的声学效应。
要了解如何创建电动PMSM电动机的电磁模型，请阅读此信息以前的博客文章。
永久磁铁同步电动机：更昂贵，更高效
与更常见的无刷和交流感应电动机相比，永久磁铁同步电动机是一种具有高功率密度的交流电动机。例如，20公斤（44磅）PMSM AC电机可以提供更多的功率和扭矩比55千克（121磅）的交流电动机，同时使用较少的能量。
永久磁铁同步电动机（PMSM）。在下面许可的图像CC BY-SA 4.0， 通过Wikimedia Commons。
PMSM的主要缺点是转子永久磁铁的高成本。此外，与可比的直流电动机相比，交流电动机需要更复杂的电源管理系统。但是，技术的最新进展降低了交流电源和控制的成本，而降低能源消耗的收益越来越大于PMSM的初始成本较高。
从家用电器，例如HVAC应用的洗衣机例如风扇，水泵和压缩机，PMSM的使用正在扩大。许多电动汽车，包括Nissan®Leaf®，Toyota®Prius®，BMWI3®，Chevrolet®螺栓和一些Tesla®汽车，由永久磁铁同步电动机推动。
沉默的声音：我们注意到更安静的环境中更多的噪音
一辆电动汽车比由内燃机提供动力的电动汽车要安静，但实际上可以使噪音，振动和苛刻（NVH）的管理更具挑战性。一种2015年混合动力汽车电动机噪声研究解释：
即使电动机噪声的水平相对较低，但由于内燃烧引擎（ICE）的掩盖效果而削弱了无引擎发动机的动力总成噪声。实际上，感兴趣的频率范围可能约为1 kHz…[]是人耳的敏感范围。
为了减轻这种更明显的噪音，工程师可以在整个汽车的结构中解决NVH的传输，但他们还可以在源头测量和管理电动声学……
建模电动机噪声的多物理
当我们听到电动机轴或壳体中的尖叫声或颤动时，我们实际上正在响应电磁活动的可听见效果。PMSM在转子中使用永久磁铁，并使用通过定子传播的可变频率交流电流产生扭矩。当转子转动时，定子使用电流来产生磁场，该磁场跟随转子的旋转速度产生一致的扭矩。
由于它们的构造和制造限制，电动机经历了不纯正弦的电磁力。
如此处讨论以前的博客文章（和即将到来的博客系列），电磁力在旋转频率下包含一个主要成分，但还包括在较高频率下产生的变化。这些称为高阶谐波的变化出现在第一个谐波的倍数上，可以显着改变电动机的NVH性能。
如下所示的教程模型所示，模拟可用于计算电磁力并提取第一个和后续的谐波。这些谐波力用于用振动激发结构，这些振动穿过电动机外壳并在空气中产生压力波，这通常是我们听到的噪声的相关部分。由于电动机的旋转速度是可变的，因此使用模拟来确定每个谐波产生的声音量，因为电动机转动速度更快。
可视化对电磁力的声音响应
通常，使用2D模型可以很好地捕获PMSM旋转过程中产生的电磁力。但是，需要使用完整的3D几何形状分析振动和辐射噪声。下面显示了用于电磁分析的电机截面和带有周围声学结构域的3D几何形状。
2D几何视图（左）和3D几何形状，带有电动机的声学域（右）。某些边界被隐藏为可视化目的。
进行了三项研究以分析PMSM模型：
- 瞬态分析以确定电磁力在给定旋转速度的时域中。
- 傅立叶变换以将时域力转换为频域中的不同谐波。频域分析允许对3D模型中的振动和噪声进行有效计算。
- 在每个谐波和旋转速度不同的情况下进行敏感性分析。
下图显示了第三次谐波在2360 Hz的模型电动机中产生的位移和声压。
位移（夸张）和由第三次谐波在2360 Hz处产生的声压。
这外部领域功能使您可以在计算域外的任何点评估声压。下图显示了电动机表面和距电动机0.5 m的声压水平。请注意，这种辐射模式如何具有许多裂片，这表明声学响应在不同的假设麦克风位置或听力点会有所不同。
电动机表面（左）和0.5 m（右）的辐射模式和声压水平。
一旦知道对每个谐波和速度的频率响应，就可以用坎贝尔图绘制它，有时称为瀑布图。
坎贝尔图显示了电动机在X- 轴和噪声的频率y-轴。颜色表示在麦克风处测得的声压水平。由于每个谐波都是以驱动PMSM频率的倍数产生的，因此谐波表示为坎贝尔图中的直线。第一个谐波位于图的底部，随后的谐波在其上方。
在下面的坎贝尔图中，我们可以看到第一个，第三和第四谐波是两个麦克风位置测量声压水平的主要原因。
坎贝尔图在两个麦克风位置。
你听说过吗？
您实际上可以收听该模型预测的声音的模拟！与comsol Multiphysics版本5.6一样，您可以将1D图导出到WAV文件中以聆听结果。通过单击下面的音频播放器来尝试一下：
通过证明电磁条件及其在各个位置的声学影响之间的关系，诸如此类的模型可以帮助您查明频率，使外壳在辐射噪声方面非常有效，以及对总噪声概况产生很大影响的谐波。这些结果可以帮助您确定对转子插槽大小，形状和位置的必要调整，以及对电机外壳和周围组件的潜在变化。
听和学习
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