基于加工公差影响的电机NVH鲁棒性分析
1 引语
在电机的设计与生产过程中，尽管初期已经对NVH（噪声、振动与声振粗糙度）问题进行了优化处理，但在实际批量制造阶段仍有可能产生新的NVH异常现象。其中，生产工艺中的各类参数波动，特别是关键零部件的加工公差控制水平，会对电机最终的噪声特性造成显著影响，这也成为同一条生产线所产出产品间噪声表现不一致的主要原因之一。因此，开展针对电机制造环节的工艺稳定性评估显得尤为重要。借助公司自主研发的ENOS平台所提供的NVH工艺稳健性仿真工具，我们可以有效模拟并量化各种制造误差条件下电机系统的噪声响应范围，从而提前识别潜在风险点。这种基于仿真的鲁棒性分析方法不仅有助于全面掌握各项工艺变量对整体噪声性能的作用机制，也为后续制定科学合理的质量管控策略提供了有力支撑，极大增强了批产过程中的品质一致性保障能力。
2 分析对象
本次分析聚焦于一款8极48槽永磁同步电机，该电机采用双V型转子磁钢拓扑结构，分析类型设定为瞬态场，其断面结构参数如下图所示。
图2-1电机断面示意图
3 电机工艺参数仿真分析说明
为提前预判量产阶段电机噪声的波动规律，本次将开展工艺鲁棒性分析，重点探究各类制造工艺参数对电机电磁激振力及最终噪声性能的影响机制。
在成熟的规模化生产场景下，零件实际加工尺寸通常呈现典型的正态分布特征：绝大多数零件尺寸集中在公差带中心区域，越接近公差极限的零件占比越低。基于电机断面模型中各关键尺寸的设计标称值及允许的上下偏差范围，我们可通过经验公式估算正态分布对应的标准差参数，进而构建工艺鲁棒性分析的仿真输入参数体系，具体参数如下表所示：
表3-1工艺鲁棒性分析仿真输入参数表
4 基于尺寸公差波动的工艺鲁棒性分析
4.1 尺寸公差正态分布设定
在ENOS分析平台中，我们采用Normal generation（正态分布）模块进行参数化分析。首先将电机仿真模型导入系统，随后依次输入各关键尺寸的设计均值、标准差等统计特征参数，并设置样本生成数量。软件将基于蒙特卡洛抽样原理，自动生成符合正态分布规律的批量仿真样本。通过右侧"show area"可视化面板，可实时查看各变量的概率分布曲线及统计特征。分析完成后，系统将自动计算并输出不同噪声水平对应的发生概率，为工艺稳健性评估提供量化依据。本次分析所采用的正态分布参数配置如下图示。
图3-2样本变量正态分布设置示意图
4.2 单一尺寸公差对电磁力和噪声的影响分析
在ENOS分析软件中选择Normal generation随机分布，只给定某个单一变量在公差范围内按照正态分布形式变化，变化范围参照工艺鲁棒性分析收集仿真参数表，软件会正态分布生成在工艺公差区间内的样本模型，这里以给定样本数2500为例。
本次分析采用单一变量控制法，仅将小磁钢夹角、大磁钢夹角、小磁钢极弧角、大磁钢极弧角、定子内半径、定子槽开口宽度作为研究对象，其余参数保持设计标称值不变。在ENOS分析平台中选择Normal generation正态分布算法，设置样本生成数量为2500组，确保统计结果具有足够的置信度。
基于设计公差范围，分别输入小磁钢夹角、大磁钢夹角、小磁钢极弧角、大磁钢极弧角、定子内半径、定子槽开口宽度的均值与标准差参数后，软件自动生成符合正态分布规律的样本数据。通过右侧可视化面板可直观观察到，小磁钢夹角、大磁钢夹角、小磁钢极弧角、大磁钢极弧角、定子内半径、定子槽开口宽度的概率密度曲线呈现典型的钟形分布特征：绝大多数样本集中在设计中心值附近，偏离中心值的样本数量随偏差增大而逐渐减少，符合批量生产中的实际尺寸分布规律。
小磁钢夹角、大磁钢夹角、小磁钢极弧角、大磁钢极弧角、定子内半径、定子槽开口宽度在公差范围内的正态分布特征如图所示，图中清晰展示了变量尺寸的概率密度分布曲线、累积概率分布曲线以及关键统计参数（均值、标准差、公差上下限），为后续分析该参数对电机NVH性能的影响提供了基础数据支撑。
图3-3 小磁钢夹角正态分布图
图3-4 大磁钢夹角正态分布图
图3-5 小磁钢极弧角度正态分布图
图3-6 大磁钢极弧角度正态分布图
图3-7 定子内半径正态分布图
图3-8 定子槽开口宽度正态分布图
4.2.1 电磁力影响分析
借助ENOS分析平台的参数化仿真功能，我们可针对48阶次电磁力开展单变量敏感性分析。通过在公差范围内系统性地调整目标尺寸参数，软件将自动完成仿真计算，并得到电磁力随单一尺寸变量变化的统计柱状图，直观量化单一尺寸波动对电磁力特性的影响程度，如下图所示。
48阶转矩（3000rpm）
48阶径向力（8000rpm）
图3-9 小磁钢夹角单一变量对电磁力的影响
48阶转矩（3000rpm）
48阶径向力（8000rpm）
图3-10 大磁钢夹角单一变量对电磁力的影响
48阶转矩（3000rpm）
48阶径向力（8000rpm）
图3-11 小磁钢极弧角单一变量对电磁力的影响
48阶转矩变化（3000rpm）
48阶径向力变化（8000rpm）
图3-12 大磁钢极弧角单一变量对电磁力的影响
48阶转矩变化（3000rpm）
48阶径向力变化（8000rpm）
图3-13 定子内半径单一变量对电磁力的影响
48阶转矩变化（3000rpm）
48阶径向力变化（8000rpm）
图3-14 定子槽开口宽度单一变量对电磁力的影响
从上图可以看出： 48阶电磁力随着小磁钢夹角、大磁钢夹角、小磁钢极弧角、大磁钢极弧角、定子内半径、定子槽开口宽度的变化而变化，呈现近似正态分布关系，48阶电磁力变化区间范围较小。
4.2.2 噪声影响分析
借助ENOS分析平台的参数化仿真功能，我们可针对48阶噪声开展单变量敏感性分析。通过在公差范围内系统性地调整目标尺寸参数，软件将自动完成仿真计算，并得到噪声随单一尺寸变量变化的统计柱状图，直观量化单一尺寸波动对噪声特性的影响程度，如下图所示。
48阶转矩对噪声影响（3000rpm）
48阶径向力对噪声影（8000rpm）
图3-15 小磁钢夹角单一变量对噪声的影响
48阶转矩对噪声影响（3000rpm）
48阶径向力对噪声影响（8000rpm）
图3-16 大磁钢夹角单一变量对噪声的影响
48阶转矩对噪声影响（3000rpm）
48阶径向力对噪声影响（8000rpm）
图3-17 小磁钢极弧角单一变量对电磁力的影响
48阶转矩对噪声影响（3000rpm）
48阶径向力对噪声影响（8000rpm）
图3-18 大磁钢极弧角单一变量对电磁力的影响
48阶转矩对噪声影响（3000rpm）
48阶径向力对噪声影响（8000rpm）
图3-19 定子内半径单一变量对电磁力的影响
48阶转矩对噪声影响（3000rpm）
48阶径向力对噪声影响（8000rpm）
图3-20 定子槽开口单一变量对电磁力的影响
从上图可以看出：48阶电磁噪声随着小磁钢夹角、大磁钢夹角、小磁钢极弧角、大磁钢极弧角、定子内半径、定子槽开口宽度的变化而变化，呈现近似正态分布关系，不同的变量在公差范围内变动对噪声的影响不一样，有些单一变量如定子内半径、定子槽开口宽度等对噪声的影响较大，最大变化可达5dB。
4.3 多尺寸公差对电磁力和噪声的影响分析
在ENOS分析平台中，我们启用Normal eneration（正态随机分布）开展多变量鲁棒性分析。首先将电机仿真模型导入系统，然后在工艺参数列表中勾选需要分析的多个尺寸变量，并为每个变量配置允许的上下偏差范围及对应的标准差参数。完成参数设置后，系统将基于蒙特卡洛抽样原理，在各变量的公差范围内自动生成2500组符合正态分布规律的样本数据，并批量执行电磁仿真计算，最终输出所有样本对应的电磁力频及噪声数据，为后续统计分析提供基础数据集。
图3-21 模型样本数目示意图
4.3.1 电磁力影响分析
借助ENOS分析平台的参数化仿真功能，我们可针对48阶次电磁力开展多变量敏感性分析。通过在公差范围内系统性地调整目标尺寸参数，软件将自动完成仿真计算，并得到电磁力随多尺寸变量变化的统计柱状图，直观量化多尺寸波动对电磁力特性的影响程度，如下图所示。
图3-22 24阶转矩（3000rpm）及48阶径向力变化（8000rpm）
从上图可以看出：
（1）当电机断面主要基本尺寸在公差范围内按照正态分布变化时，不同阶次的转矩或径向电磁力也存在正态分布变化趋势；
（2）在3000rpm处，24阶转矩呈现正态分布状态，且变化量可从0.35Nm到0.6Nm区间变化，变化量可达60%以上；
（3）在8000rpm处，48阶径向电磁力呈现正态分布状态，且变化量可从2.1N到2.28N区间变化，变化量可达5%以上；
（4）当电机断面主要基本尺寸均在其工艺公差范围内正态分布波动时，其对24阶转矩脉动影响较大，对48阶径向力的影响较小。
4.3.2 噪声影响分析
通过ENOS软件计算分析可以得到各阶次电磁噪声在多变量尺寸变化样本下的变化情况，并以散点图给出如下图所示：
图3-23 24阶（3000rpm）及48阶（8000rpm）噪声dB图
从上图可以看出：
（1）当电机断面主要基本尺寸在公差范围内按照正态分布变化时，不同阶次的噪声也存在正态分布变化趋势；
（2）在3000rpm处，24阶噪声呈现正态分布状态，且变化量可从41dB到46dB区间变化，变化量最大可达5dB左右；
（3）在8000rpm处，48阶径向电磁力呈现正态分布状态，且变化量可从72.6dB到73.2dB区间变化，变化量最大可达0.6dB左右；
（4）当电机断面主要基本尺寸均在其工艺公差范围内正态分布波动时，其对24阶噪声影响较大，对48阶噪声的影响较小。
