电机振动噪声建模分析：ANSYS电机振动噪声分析

噪声、振动与声振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness）(在~20Hz-20kHz之间)的常见术语。引起这些振动的力可以来自许多来源。对于电机来说，这些力可能是驱动转子轴的磁力，也可能是更大的驱动系统的一部分，比如轴承和/或齿轮。

 图1  汽车NVH示意图

噪声是电机的一个热门话题，而诸如重量和成本降低等竞争性需求会带来工程挑战，如果不加以解决，可能会影响客户满意度和产品接受度，使用ANSYS工具将为如何全面解决电机噪声提供工程指导。

1. 问题分析

本例以永磁同步电机模型为例。在Maxwell 2D中，利用该电机的1/8模型，计算定子内表面径向和切向磁拉力；然后在ANSYS Mechanical中进行该电机三维定子的谐响应分析；最后在ANSYS Harmonic Acoustic中进行三维声场分析。在Workbench中，Maxwell中计算的定子内表面径向和切向磁拉时域力密度分布，作为激励源，耦合到Mechanical 中进行频域的谐响应分析；谐响应分析的结果，作为激励耦合到ANSYS Harmonic Acoustic 中，作为噪声分析的激励。

几何模型

    图2  模型示意图

材料参数 ，仿真过程中使用的材料为默认的结构钢

2. 电磁力计算

图3  1/8电机模型

分析模型为 Prius 电机的二维分析模型，建立Maxwell 2D分析流程。 打开【Workbench】->【Toolbox】->【Analysis Systems】，添加一个Maxwell 2D分析系统。

 图4  Maxwell 2D分析流程图

导入模型以后，为了精确分析定子齿部的径向电磁力，并将力密度的分布耦合到后续的谐响应分析中。 需要将定子齿部“分割”出来，并施加更细密的网格剖分。

   图5  定子齿尖网格划分

设定求解时间为10ms和求解步长为50us，并打开电磁力计算开关，在计算的电磁力的类型选项中，object based是通过电磁力和力矩的方式计算，element based是计算的电磁力密度。

图6  求解设置

4.谐响应分析

在已有的Maxwell 2D分析后拖拽一个Harmonic Response分析模块，建立谐响应分析系统，如下图所示。

图7  建立谐响应分析系统

边界条件

导入Maxwell 2D中的电磁力计算结果，通过Imported Remote Loads将电磁力导入对应定子齿尖部分作用面上，如下图所示。

   图8  电磁力导入

设置求解的频率范围为0-10000Hz，求解间隔为25，用完全法进行求解。

5. 噪声分析

在 Workbench 的 Analysis System 窗口中，选择Harmonic Acoustic建立噪声分析模块，如下图所示。

图9  噪声分析流程图

对电机定子建立外流场模型，形状可以自行定义。然后将谐响应分析的速度分布导入流场模型中定子外表面部分，并设定声场分析边界条件，如下所示。

 图10  导入谐响应速度分布

  图11  噪声分析边界条件

图12  SPL分布图

6. 结论与展望

通过ANSYS Workbench可以方便的分析电机振动噪声，此外在此基础上还可以进行多转速分析以及对电机参数进行优化分析。

文章来源：易仿真