直流永磁電機(jī)電磁噪音分析

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,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)

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

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。

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)

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(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。

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。

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(jì)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(jì)算,得到了各頻率下電機(jī)定子外空氣區(qū)域的聲壓、聲壓級(jí)大小和聲速等。

5 結(jié)論

1)通過 2D 電磁場(chǎng)仿真計(jì)算得到電機(jī)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(chǎng)計(jì)算得到的磁鋼上的瞬態(tài)電磁力自動(dòng)導(dǎo)入Mechanical 進(jìn)行諧響應(yīng)分析,得到電機(jī)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(jī)定子外殼部位的諧響應(yīng)分析結(jié)果自動(dòng)導(dǎo)入 AcousticsACT 聲學(xué)計(jì)算模塊,作為噪聲分析的激勵(lì),進(jìn)行聲學(xué)分析。

最終通過 ANSYS 強(qiáng)大的電磁、振動(dòng)、噪音耦合場(chǎng)分析功能,完成了直流永磁電機(jī)的振動(dòng)噪音分析,得到了各頻率下電機(jī)定子外空氣區(qū)域的聲壓、聲壓級(jí)大小和聲速等。