直流永磁電機電磁噪音分析

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直流永磁電機電磁噪音分析

[蔣俊祥]

[上海聯宏創能信息科技有限公司,200122]


[ 摘  要 ] 電機噪聲的具體形式有很多,如電磁噪聲、空氣動力噪聲和機械噪聲,作用在電機定、轉子上的時變電磁力會引起電磁振動,從而使電機輻射電磁噪聲,因此電機電磁振動是電機的主要振動、噪聲源,我們有必要對其進行研究和控制。電機引起的噪聲問題涉及到電磁、振動、聲學等多物理場的耦合問題,ANSYS 軟件的 Maxwell 模塊具有強大的電磁場分析能力、Mechanical 模塊具有歷經工程實踐驗證的結構振動分析能力和強大的聲學分析模塊 Acoustics ACT,并且可以完成它們之間數據的無縫傳輸從而實現耦合場分析,這為電機的電磁振動噪音問題提供了很好的解決方案。本文通過一款直流永磁電機的噪音分析案例完成了整個電磁、諧響應和聲學及它們間耦合分析的整個過程,得到了各階頻率下對應的聲壓、聲壓級、聲速等。

[ 詞 關鍵詞 ] 電磁場;振動;噪音

1 前言

 噪聲是各種不同頻率和聲強的聲音雜亂無章的組合,它會干擾人們談話、降低人的思維,使人產生疲勞,從而影響休息、工作和睡眠,長期暴露在噪聲環境中,還會使人的聽力受損[1],因此我們需要對其進行研究和控制。電磁噪聲主要是氣隙中的電磁場產生電磁力,引起鐵心軛部振動,最終通過電機外殼將噪聲輻射出去。這個過程涉及電磁場分析、振動分析和傳遞介質的聲學分析,是個多場、多學習耦合的復雜問題,本文運用 ANSYS強大的多學科耦合分析能力為電機噪音問題提供了完善的解決方案。

2 磁鋼電磁力分析

電機的氣隙磁場存在于電機定轉子的微小氣隙中。氣隙磁場是機電能量轉換的中介,同時也在電機的定轉子上產生徑向和切向的電磁力。這些電磁力在把電能轉換為機械能的同時,也作用在定轉子結構上,引起電磁振動。轉子振動主要通過軸承傳遞到外殼上,由于軸承具有彈性和一定的阻尼作用,傳到外殼的高頻振動會明顯衰減。而定子一般直接連接到電機外殼上,相比于轉子振動,定子振動更容易引起外殼的解耦股振動和噪聲。

轉子齒上受到的是安培力,形成電磁轉矩。而在永磁體和定子鐵芯上受到麥克斯韋力,產生振動和噪聲。對于永磁直流電機來說,引起電機振動的主要作用力在永磁體上,包括徑向和切向的電磁力。

2.1 電機模型簡化

 電機電磁力分析只考慮電機本體部分,如定轉子、繞組、磁鋼等。分析時采用 Maxwell2D,利用該電機的 1/4 模型,計算磁鋼內表面徑向和切向磁拉力,借助 NX 軟件簡化模型(簡化定子機殼,如去除細小的面、線、小圓角等)

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2.2 Maxwell 電磁力分析

具體步驟如下:

1)網格劃分,其中單獨對磁鋼進行網格加密

2)激活瞬態電磁場與諧響應分析的耦合分析選項

3)Maxwell 自動計算最后一個完整周期的瞬態電磁力

4)軟件自動完成傅里葉變換,時域電磁力轉化為頻域電磁力

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這里 Maxwell 中計算的定子內表面徑向和切向磁拉力密度分布將作為激勵源,耦合到Mechanical 中進行頻域的諧響應分析。

3 諧響應分析

在 Workbench 的 Analysis System 窗口中選擇 Harmonic response,并將 Harmonicresponse 拖拽到 Project Schematic 窗口中 Maxwell 的右邊,連線 D4 和 B5 實現電磁力結果到諧響應分析的無縫傳輸。

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3.1 模型簡化

諧響應分析只考慮電機定子機殼、磁鋼,忽略其余結構,借助 NX 軟件簡化模型(包括去除小的面、線、小圓角等)

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3.2 Mechanical 諧響應分析

具體步驟如下:

1)網格劃分

2)導入 Maxwell 電磁力

3)定義噪聲源傳遞文件

4)諧響應分析求解設置并提交求解

3.2.1 諧響應分析邊界條件

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3.2.2 諧響應分析材料參數


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這里 Mechanical 諧響應計算的定子機殼外表面的位移、速度、加速度等響應載荷將作為激勵源,耦合到 Acoustics ACT 聲學計算模塊中進行聲學計算。

4 聲學分析

在 Workbench 的 Analysis System 窗口中選擇 Harmonic response,并將 Harmonicresponse 拖拽到 Project Schematic 窗口中如下圖所示。

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4.1 創建聲學模型

Acoustics ACT 聲學分析只考慮定子機殼外的噪音傳播介質(空氣),不考慮電機內部結構。借助 NX 處理模型,創建定子機殼外的聲學區域,并切分出幾個關鍵的觀察區如下圖所示。


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4.2 Acoustics ACT 聲學分析

具體步驟如下:

1)網格劃分

2)定義耦合噪聲源

3)噪聲計算邊界條件施加

4)噪聲分析設置并提交求解

4.2.1 聲學分析邊界條件

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4.2.2 材料參數


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4.3 聲學分析結果


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通過 Acoustics ACT 聲學計算,得到了各頻率下電機定子外空氣區域的聲壓、聲壓級大小和聲速等。

5 結論

1)通過 2D 電磁場仿真計算得到電機定子磁鋼上的瞬態電磁力;

2)通過電磁、結構耦合分析,將 2D 電磁場計算得到的磁鋼上的瞬態電磁力自動導入Mechanical 進行諧響應分析,得到電機定子外殼部位的位移、速度、加速度等諧響應結果。

3)通過結構、聲耦合分析,將電機定子外殼部位的諧響應分析結果自動導入 AcousticsACT 聲學計算模塊,作為噪聲分析的激勵,進行聲學分析。

最終通過 ANSYS 強大的電磁、振動、噪音耦合場分析功能,完成了直流永磁電機的振動噪音分析,得到了各頻率下電機定子外空氣區域的聲壓、聲壓級大小和聲速等。


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