直流永磁電機電磁噪音分析

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(chǎn)生疲勞,從而影響休息、工作和睡眠,長期暴露在噪聲環(huán)境中,還會使人的聽力受損,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(chǎn)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(zhì)的聲學(xué)分析,是個多場、多學(xué)習(xí)耦合的復(fù)雜問題,本文運用 ANSYS強大的多學(xué)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(zhuǎn)子的微小氣隙中。氣隙磁場是機電能量轉(zhuǎn)換的中介,同時也在電機的定轉(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)換為機械能的同時,也作用在定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上,引起電磁振動。

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子振動,定子振動更容易引起外殼的解耦股振動和噪聲。

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(zhuǎn)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(nèi)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(xì)小的面、線、小圓角等)

2.2 Maxwell 電磁力分析

具體步驟如下:

1)網(wǎng)格劃分,其中單獨對磁鋼進行網(wǎng)格加密

2)激活瞬態(tài)電磁場與諧響應(yīng)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(tài)電磁力

4)軟件自動完成傅里葉變換,時域電磁力轉(zhuǎn)化為頻域電磁力

這里 Maxwell 中計算的定子內(nèi)表面徑向和切向磁拉力密度分布將作為激勵源,耦合到Mechanical 中進行頻域的諧響應(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 實現(xiàn)電磁力結(jié)果到諧響應(yīng)分析的無縫傳輸。

3.1 模型簡化

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

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

3.2.2 諧響應(yīng)分析材料參數(shù)

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

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。

4.1 創(chuàng)建聲學(xué)模型

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

4.2 Acoustics ACT 聲學(xué)分析

具體步驟如下:

1)網(wǎng)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(shè)置并提交求解

4.2.1 聲學(xué)分析邊界條件

4.2.2 材料參數(shù)

4.3 聲學(xué)分析結(jié)果

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

5 結(jié)論

1)通過 2D 電磁場仿真計算得到電機定子磁鋼上的瞬態(tài)電磁力;

2)通過電磁、結(jié)構(gòu)耦合分析,將 2D 電磁場計算得到的磁鋼上的瞬態(tài)電磁力自動導(dǎo)入Mechanical 進行諧響應(yīng)分析,得到電機定子外殼部位的位移、速度、加速度等諧響應(yīng)結(jié)果。

3)通過結(jié)構(gòu)、聲耦合分析,將電機定子外殼部位的諧響應(yīng)分析結(jié)果自動導(dǎo)入 AcousticsACT 聲學(xué)計算模塊,作為噪聲分析的激勵,進行聲學(xué)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(qū)域的聲壓、聲壓級大小和聲速等。