技術(shù) | 直流永磁電機(jī)電磁噪音分析

2017-04-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

直流永磁電機(jī)電磁噪音分析

[蔣俊祥]

[上海聯(lián)宏創(chuàng)能信息科技有限公司,200122]

[ 摘要 ] 電機(jī)噪聲的具體形式有很多,如電磁噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和機(jī)械噪聲,作用在電機(jī)定、轉(zhuǎn)子上的時(shí)變電磁力會(huì)引起電磁振動(dòng),從而使電機(jī)輻射電磁噪聲,因此電機(jī)電磁振動(dòng)是電機(jī)的主要振動(dòng)、噪聲源,我們有必要對(duì)其進(jìn)行研究和控制。電機(jī)引起的噪聲問題涉及到電磁、振動(dòng)、聲學(xué)等多物理場(chǎng)的耦合問題,ANSYS 軟件的 Maxwell 模塊具有強(qiáng)大的電磁場(chǎng)分析能力、Mechanical 模塊具有歷經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證的結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析能力和強(qiáng)大的聲學(xué)分析模塊 Acoustics ACT,并且可以完成它們之間數(shù)據(jù)的無縫傳輸從而實(shí)現(xiàn)耦合場(chǎng)分析,這為電機(jī)的電磁振動(dòng)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(jī)的噪音分析案例完成了整個(gè)電磁、諧響應(yīng)和聲學(xué)及它們間耦合分析的整個(gè)過程,得到了各階頻率下對(duì)應(yīng)的聲壓、聲壓級(jí)、聲速等。

[ 詞關(guān)鍵詞 ] 電磁場(chǎng);振動(dòng);噪音

1 前言

噪聲是各種不同頻率和聲強(qiáng)的聲音雜亂無章的組合,它會(huì)干擾人們談話、降低人的思維,使人產(chǎn)生疲勞,從而影響休息、工作和睡眠,長(zhǎng)期暴露在噪聲環(huán)境中,還會(huì)使人的聽力受損[1],因此我們需要對(duì)其進(jìn)行研究和控制。電磁噪聲主要是氣隙中的電磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁力,引起鐵心軛部振動(dòng),最終通過電機(jī)外殼將噪聲輻射出去。這個(gè)過程涉及電磁場(chǎng)分析、振動(dòng)分析和傳遞介質(zhì)的聲學(xué)分析,是個(gè)多場(chǎng)、多學(xué)習(xí)耦合的復(fù)雜問題,本文運(yùn)用 ANSYS強(qiáng)大的多學(xué)科耦合分析能力為電機(jī)噪音問題提供了完善的解決方案。

2 磁鋼電磁力分析

電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)存在于電機(jī)定轉(zhuǎn)子的微小氣隙中。氣隙磁場(chǎng)是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的中介,同時(shí)也在電機(jī)的定轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向和切向的電磁力。這些電磁力在把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的同時(shí),也作用在定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上,引起電磁振動(dòng)。轉(zhuǎn)子振動(dòng)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(dòng)會(huì)明顯衰減。而定子一般直接連接到電機(jī)外殼上,相比于轉(zhuǎn)子振動(dòng),定子振動(dòng)更容易引起外殼的解耦股振動(dòng)和噪聲。

轉(zhuǎn)子齒上受到的是安培力,形成電磁轉(zhuǎn)矩。而在永磁體和定子鐵芯上受到麥克斯韋力,產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。對(duì)于永磁直流電機(jī)來說,引起電機(jī)振動(dòng)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(jī)模型簡(jiǎn)化

電機(jī)電磁力分析只考慮電機(jī)本體部分,如定轉(zhuǎn)子、繞組、磁鋼等。分析時(shí)采用 Maxwell2D,利用該電機(jī)的 1/4 模型,計(jì)算磁鋼內(nèi)表面徑向和切向磁拉力,借助 NX 軟件簡(jiǎn)化模型(簡(jiǎn)化定子機(jī)殼,如去除細(xì)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(wǎng)格劃分,其中單獨(dú)對(duì)磁鋼進(jìn)行網(wǎng)格加密

2)激活瞬態(tài)電磁場(chǎng)與諧響應(yīng)分析的耦合分析選項(xiàng)

3)Maxwell 自動(dòng)計(jì)算最后一個(gè)完整周期的瞬態(tài)電磁力

4)軟件自動(dòng)完成傅里葉變換,時(shí)域電磁力轉(zhuǎn)化為頻域電磁力

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這里 Maxwell 中計(jì)算的定子內(nèi)表面徑向和切向磁拉力密度分布將作為激勵(lì)源,耦合到Mechanical 中進(jìn)行頻域的諧響應(yīng)分析。

3 諧響應(yīng)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(shí)現(xiàn)電磁力結(jié)果到諧響應(yīng)分析的無縫傳輸。

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3.1 模型簡(jiǎn)化

諧響應(yīng)分析只考慮電機(jī)定子機(jī)殼、磁鋼,忽略其余結(jié)構(gòu),借助 NX 軟件簡(jiǎn)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(yīng)分析

具體步驟如下:

1)網(wǎng)格劃分

2)導(dǎo)入 Maxwell 電磁力

3)定義噪聲源傳遞文件

4)諧響應(yīng)分析求解設(shè)置并提交求解

3.2.1 諧響應(yīng)分析邊界條件

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3.2.2 諧響應(yīng)分析材料參數(shù)

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這里 Mechanical 諧響應(yīng)計(jì)算的定子機(jī)殼外表面的位移、速度、加速度等響應(yīng)載荷將作為激勵(lì)源,耦合到 Acoustics ACT 聲學(xué)計(jì)算模塊中進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算。

4 聲學(xué)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(chuàng)建聲學(xué)模型

Acoustics ACT 聲學(xué)分析只考慮定子機(jī)殼外的噪音傳播介質(zhì)(空氣),不考慮電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。借助 NX 處理模型,創(chuàng)建定子機(jī)殼外的聲學(xué)區(qū)域,并切分出幾個(gè)關(guān)鍵的觀察區(qū)如下圖所示。