直流無(wú)刷電機(jī)噪聲分析

權(quán)艷娜　南悅　郭炳岐

摘 要：噪聲由發(fā)聲體做不規(guī)則的振動(dòng)產(chǎn)生，會(huì)影響人的正常工作、休息。電磁噪聲作為電機(jī)的主要噪聲源，需要對(duì)其進(jìn)行分析和控制。電磁噪聲主要是氣隙磁場(chǎng)引起的電磁激振力，引起電機(jī)鐵芯振動(dòng)，最終通過(guò)電機(jī)外殼輻射到電機(jī)周?chē)膮^(qū)域內(nèi)。因此，如何有效控制噪聲一直都是電機(jī)研制過(guò)程之中必須要注意的問(wèn)題。電磁噪聲分析過(guò)程中涉及電磁場(chǎng)分析、諧振分析、聲場(chǎng)分析，該文運(yùn)用Ansys Workbench強(qiáng)大的多物理域耦合分析能力，為直流無(wú)刷電機(jī)電磁噪聲分析提供了一種解決方案。

關(guān)鍵詞：電磁噪聲 振動(dòng) 多物理域

中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（a）-0137-02

電機(jī)氣隙磁場(chǎng)引起的電機(jī)定子齒部的電磁激振力作用于電機(jī)結(jié)構(gòu)會(huì)引起電機(jī)振動(dòng)，形成聲波輻射[1]。結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射問(wèn)題的分析方法主要有解析法和數(shù)值法兩大類。Ansys Workbench作為一款通用的有限元的分析軟件，在電機(jī)仿真領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。新版的Ansys Workbench軟件已具有電磁分析、諧振分析和噪聲分析模塊，在Ansys Workbench中進(jìn)行多物理域的聯(lián)合仿真，可以解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁噪聲仿真分析[2]。

1 鐵芯電磁力分析

1.1 電機(jī)模型簡(jiǎn)化

以某16p24s永磁直流電機(jī)為例，利用Ansys Workbench仿真平臺(tái)進(jìn)行聲輻射仿真分析，在Ansoft Maxwell的Rmprt中建立電機(jī)模型，為了實(shí)現(xiàn)電磁力的計(jì)算，將Rmprt中的模型導(dǎo)入2D下進(jìn)行分析。

1.2 電磁力分析

對(duì)于直流無(wú)刷電機(jī)而言，引起電磁噪聲的主要是作用在定子齒上的力，包括徑向和切向的電磁力。為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行電磁耦合力的仿真，需要對(duì)Maxwell 2D下模型進(jìn)行調(diào)整。

（1）通過(guò)Boolean操作將定子鐵芯上的齒頂與齒中部和軛部分離，行成獨(dú)立的18個(gè)齒頂，見(jiàn)圖1。

（2）對(duì)18個(gè)齒頂進(jìn)行網(wǎng)格加密，設(shè)置劃分網(wǎng)格的最大長(zhǎng)度為0.5 mm，曲面逼近的誤差為0.03 mm。

（3）設(shè)置仿真時(shí)間為兩個(gè)電周期，每個(gè)周期內(nèi)至少有100步。

（4）激活瞬態(tài)電磁場(chǎng)與諧響應(yīng)耦合分析的簡(jiǎn)諧耦合力計(jì)算選項(xiàng)。

1.3 電磁力分析結(jié)果

這里將Maxwell 2D下計(jì)算得到的定子齒上的電磁力作為激勵(lì)源，耦合到ANSYS Workbench中進(jìn)行頻域的諧響應(yīng)分析（見(jiàn)圖2）。

2 諧響應(yīng)分析

在AnsysWorkbench中導(dǎo)入Maxwell 2D模型，添加諧響應(yīng)分析模塊Harmonic Response，并將Maxwell 2D的仿真結(jié)果導(dǎo)入Harmonic Response，實(shí)現(xiàn)電磁力到諧響應(yīng)分析的連接。

在Harmonic Response模塊內(nèi)進(jìn)行如下設(shè)置：

（1）導(dǎo)入的Harmonic Response中得到的電磁力。

（2）選擇“One Way Coupling Analysis”選項(xiàng)，選取定子鐵芯外表面作為聲固耦合的界面，并通過(guò)該界面將存儲(chǔ)的位移、速度和加速度等響應(yīng)載荷耦合到聲體中（見(jiàn)圖3）。

諧響應(yīng)分析得到定子鐵芯外表面的位移、速度和加速度等響應(yīng)載荷，這些載荷作為激勵(lì)源，耦合到Acoustics聲學(xué)計(jì)算模塊中進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算。電機(jī)在電磁激振力下的最大幅值為2.46～5 mm，發(fā)生在電機(jī)齒尖位置，如圖4所示。

3 聲學(xué)分析

創(chuàng)建聲學(xué)計(jì)算模塊Acoustics，整個(gè)噪聲分析的模型如圖5所示。

噪聲傳播介質(zhì)為空氣，主要考慮定子表面以外的區(qū)域的噪聲分布[3]。在AnsysWorbench內(nèi)置的模型設(shè)計(jì)中繪制聲學(xué)區(qū)域的模型僅進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。該模型的設(shè)置如下。

（1）聲體與定子的長(zhǎng)度相同，外徑長(zhǎng)達(dá)1 m。

（2）網(wǎng)格劃分：從中心輻射向外由密到疏。

（3）設(shè)置聲體空氣的密度和流速如下：Mass Density= 1.2041 kg/m3，Sound Speed=343.24 m/s。

設(shè)置聲體內(nèi)表面作為聲固耦合的界面，并通過(guò)該界面將諧響應(yīng)分析得到的位移速度和加速度等響應(yīng)載荷耦合到聲體中。

（4）設(shè)置聲體的外表面作為聲固耦合的邊界。

通過(guò)Acoustics聲學(xué)計(jì)算，可以得到了各頻率下電機(jī)定子外空氣場(chǎng)的聲強(qiáng)、聲壓。最大頻率下的聲強(qiáng)、聲壓如圖6所示，電機(jī)最大聲壓為0.003 Pa，最大聲強(qiáng)為46 dB。

4 結(jié)語(yǔ)

文章將Maxwell 2D與Ansys Workbench結(jié)合，利用Ansys Workbench強(qiáng)大的電磁、振動(dòng)、噪聲場(chǎng)耦合分析功能，通過(guò)以下的步驟，完成了一款直流無(wú)刷電機(jī)的噪聲分析。

（1）通過(guò)Maxwell 2D下的電磁場(chǎng)仿真得到定子齒上的電磁力。

（2）將模型導(dǎo)入Ansys Workbench中，并耦合至Harmonic Response模塊中，得到定子外表面部位的位移、速度、加速度等諧響應(yīng)結(jié)果。

（3）通過(guò)聲耦合分析，將定子外表面的諧響應(yīng)分析結(jié)果導(dǎo)入Acoustics聲學(xué)計(jì)算模塊中，進(jìn)行聲學(xué)分析，得到了各頻率電機(jī)定子外空氣區(qū)域的聲強(qiáng)、聲壓。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔淑梅，于天達(dá)，宋立偉.基于ANSYS和SYSNOISE的電機(jī)噪聲仿真分析方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2011，15（9）： 63-67.

[2] 張藝華.車(chē)用交流發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲特性及影響因素研究[D].西南交通大學(xué)，2015.

[3] 馬琮淦，左曙光，孫慶，等.考慮時(shí)間諧波電流的永磁同步電機(jī)電磁噪聲階次特征分析[J].振動(dòng)與沖擊，2014（15）： 108-113，125.