直流永磁电机电磁噪音分析

1 前言

噪声是各种不同频率和声强的声音杂乱无章的组合,它会干扰人们谈话、降低人的思维,使人产生疲劳,从而影响休息、工作和睡眠,长期暴露在噪声环境中,还会使人的听力受损,因此我们需要对其进行研究和控制。

电磁噪声主要是气隙中的电磁场产生电磁力,引起铁心轭部振动,最终通过电机外壳将噪声辐射出去。这个过程涉及电磁场分析、振动分析和传递介质的声学分析,是个多场、多学习耦合的复杂问题,本文运用 ANSYS强大的多学科耦合分析能力为电机噪音问题提供了完善的解决方案。

2 磁钢电磁力分析

电机的气隙磁场存在于电机定转子的微小气隙中。气隙磁场是机电能量转换的中介,同时也在电机的定转子上产生径向和切向的电磁力。这些电磁力在把电能转换为机械能的同时,也作用在定转子结构上,引起电磁振动。

转子振动主要通过轴承传递到外壳上,由于轴承具有弹性和一定的阻尼作用,传到外壳的高频振动会明显衰减。而定子一般直接连接到电机外壳上,相比于转子振动,定子振动更容易引起外壳的解耦股振动和噪声。

转子齿上受到的是安培力,形成电磁转矩。而在永磁体和定子铁芯上受到麦克斯韦力,产生振动和噪声。对于永磁直流电机来说,引起电机振动的主要作用力在永磁体上,包括径向和切向的电磁力。

2.1 电机模型简化

电机电磁力分析只考虑电机本体部分,如定转子、绕组、磁钢等。分析时采用 Maxwell2D,利用该电机的 1/4 模型,计算磁钢内表面径向和切向磁拉力,借助 NX 软件简化模型(简化定子机壳,如去除细小的面、线、小圆角等)

2.2 Maxwell 电磁力分析

具体步骤如下:

1)网格划分,其中单独对磁钢进行网格加密

2)激活瞬态电磁场与谐响应分析的耦合分析选项

3)Maxwell 自动计算最后一个完整周期的瞬态电磁力

4)软件自动完成傅里叶变换,时域电磁力转化为频域电磁力

这里 Maxwell 中计算的定子内表面径向和切向磁拉力密度分布将作为激励源,耦合到Mechanical 中进行频域的谐响应分析。

3 谐响应分析

在 Workbench 的 Analysis System 窗口中选择 Harmonic response,并将 Harmonicresponse 拖拽到 Project Schematic 窗口中 Maxwell 的右边,连线 D4 和 B5 实现电磁力结果到谐响应分析的无缝传输。

3.1 模型简化

谐响应分析只考虑电机定子机壳、磁钢,忽略其余结构,借助 NX 软件简化模型(包括去除小的面、线、小圆角等)

3.2 Mechanical 谐响应分析

具体步骤如下:

1)网格划分

2)导入 Maxwell 电磁力

3)定义噪声源传递文件

4)谐响应分析求解设置并提交求解

3.2.1 谐响应分析边界条件

3.2.2 谐响应分析材料参数

这里 Mechanical 谐响应计算的定子机壳外表面的位移、速度、加速度等响应载荷将作为激励源,耦合到 Acoustics ACT 声学计算模块中进行声学计算。

4 声学分析

在 Workbench 的 Analysis System 窗口中选择 Harmonic response,并将 Harmonicresponse 拖拽到 Project Schematic 窗口中如下图所示。

4.1 创建声学模型

Acoustics ACT 声学分析只考虑定子机壳外的噪音传播介质(空气),不考虑电机内部结构。借助 NX 处理模型,创建定子机壳外的声学区域,并切分出几个关键的观察区如下图所示。

4.2 Acoustics ACT 声学分析

具体步骤如下:

1)网格划分

2)定义耦合噪声源

3)噪声计算边界条件施加

4)噪声分析设置并提交求解

4.2.1 声学分析边界条件

4.2.2 材料参数

4.3 声学分析结果

通过 Acoustics ACT 声学计算,得到了各频率下电机定子外空气区域的声压、声压级大小和声速等。

5 结论

1)通过 2D 电磁场仿真计算得到电机定子磁钢上的瞬态电磁力;

2)通过电磁、结构耦合分析,将 2D 电磁场计算得到的磁钢上的瞬态电磁力自动导入Mechanical 进行谐响应分析,得到电机定子外壳部位的位移、速度、加速度等谐响应结果。

3)通过结构、声耦合分析,将电机定子外壳部位的谐响应分析结果自动导入 AcousticsACT 声学计算模块,作为噪声分析的激励,进行声学分析。

最终通过 ANSYS 强大的电磁、振动、噪音耦合场分析功能,完成了直流永磁电机的振动噪音分析,得到了各频率下电机定子外空气区域的声压、声压级大小和声速等。