電機電磁噪聲的聯合仿真計算方法

魯洪，周書堂

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 中國人民解放軍駐三三0三代表室，武漢 430200）

0 引言

電機噪聲分由三部分組成：電磁噪聲，機械噪聲和空氣動力性噪聲，電磁噪聲和機械噪聲占主導地位。

電磁噪聲是由氣隙磁場(主要是諧波磁場)，引起磁極與機座變形和周期性振動產生的，其電磁噪聲頻率主要為電樞齒頻率和電樞旋轉頻率。電磁噪聲是電機噪聲的主要成份，它通過磁軛向外傳播。氣隙磁波作用在定子鐵心齒上，產生徑向和切向磁力兩個分量，使定子鐵心產生的振動變形的徑向分量.，是電磁噪聲的主要來源[1]。使齒根部彎曲產生局部變形的切向分量是電磁噪聲的次要來源。當徑向電磁力波與定子的固有頻率接近時，就會引起共振，使振動與噪聲大大增強。

此外，由于定、轉子的偏心，或磁路的不對稱引起磁通分配的不對稱，出現一邊受力大、一邊受力小的現象，產生了單邊磁拉力，也會引發振動產生電磁噪聲。

電磁噪聲大部分是定子振動固體聲向空氣輻射出來，其特性如下：

電磁噪聲都是單一頻率的，對某一臺電機來說，在某一轉速下是固定不變的，因此，電磁噪聲構成的頻譜是不連續的，它包含一個或多個單峰的形式。電磁噪聲是由氣隙中諧波磁場相互作用引起的，但其強弱則還與定子的動態剛度、固有振動頻率和聲學特性有關，計算上有較大難度和工作量，因此，目前通常還是通過測試方法來測定它，并采取改進設計和制造工藝來降低它[2]。

電磁噪聲頻率主要為電樞齒頻率和電樞旋轉頻率，其定義如下：

1） 電樞齒頻率

式中z：電樞槽數；

n：轉速，r／min；

K：正整數，1，2，3···。

2） 電樞旋轉頻率

式中：p：直流電動機極對數[3].。

電磁噪聲涉及到電磁場、結構、聲場三個領域，在計算上有較大的難度，過去主要通過測試手段，或者通過電磁力的解析解將電磁載荷加載到結構上，目前，隨著CAE技術的進步，已經可以實現通過數值解的方式來計算電磁噪聲[4]。其基本步驟如下通過電磁軟件計算得到運行工況中電磁力的數值解；通過網格差值的方式將電磁體積力加載到結構模型中；使用聲學軟件 LMS Virtual.Lab，利用加載的電磁力載荷，進行聲-振耦合計算，得到電磁噪聲的數值解。

1 基于聯合仿真的電機電磁輻射噪聲的計算方法

1.1 計算流程和使用軟件說明

計算過程中使用了電磁學軟件JMAG和聲學軟件LMS Virtual.Lab。通過Virtual.Lab與電磁學軟件JMAG的接口，可以直接獲取JMAG計算得到的電磁力，并將其轉化為頻域下的結構載荷。并進行后續的振動-噪聲計算[5]。

計算的整個過程都可以在軟件內部完成，不需要二次開發。在傳遞電磁力載荷時，能夠自動考慮網格尺寸差異的影響，保證電磁力在傳遞前后是守恒的。計算流程見圖1。

1.2 電磁力的計算

使用 JMAG電磁學軟件計算工況下的電磁力。計算得到的電磁力是隨空間和時間分布的交變力。

電磁學模型如下所示，電磁模型主要包括電機部分的轉子和定子部分。JMAG計算得電磁力儲存在電磁模型的各個節點之中，在JMAG中設定運行工況，計算得到電磁載荷。一般需要計算一個整周或更多的載荷歷程。

需要注意的是，將JMAG計算的電磁力導出為LMS Virtual.Lab能夠識別的格式（.unv），需要JMAG 11.1版本的軟件。

1.3 電機模態的計算

電機的電磁噪聲除了與電機氣隙磁場產生的力波頻率、幅值和階數有關之外，還取決于電機的共振狀態，與電機的固有模態有很大關系，因此研究電機的固有模態是非常重要的。

電機的轉子結構的重力和永磁體與轉子之間的磁拉力對于定子結構而言屬于靜態載荷，在靜態載荷作用下，結構的應力狀態會影響到它的剛度矩陣，進而影響其固有頻率。這一點是非常重要的，尤其是對于文中所研究電機的薄殼結構。為了簡化分析過程，這里不需要對轉子結構進行建模，只建立了非旋轉部件的結構模型，即包括了電機定子和變速箱的模型。

模態計算到6400 Hz，共175階。如下圖4所示。

1.4 基于Virtual.Lab的電磁噪聲預測

在Virtual.Lab中，計算電磁噪聲的流程如圖5所示。

在 LMS Virtual.Lab中可以自動完成網格插值匹配和時頻域轉換的工作，將電磁模型上的時域力裝換為結構有限元模型上的頻域加載力。

基于傳遞過來的電磁力載荷，結合計算得到的結構模態。即可基于聲學有限元方法進行聲-振耦合計算，得到電磁輻射噪聲。

計算得到的電機表面加速度曲線如圖 7所示。加速度頻譜展示出了跟激勵譜相同的基頻和倍頻特性。

首先需要導入 JMAG輸出的電磁力文件。JMAG輸出的原始載荷是加載在電磁模型上的，并且是一個瞬態載荷。在計算電磁力引起的結構振動和噪聲時，需要將力轉移到結構模型上，并做時頻域轉換（振動噪聲一般都在頻域空間分析）。

2 結論

基于Virtual.Lab和JMAG軟件，實現了電磁-結構-聲三場耦合的電機電磁噪聲計算。由于計算過程中簡化假設較少，可以得到比傳統的在結構上分塊加載等效電磁力的方法更高的計算精度。

[1]周啟章. 交流異步電機電磁噪聲的若干問題. 電機技術, 1993.

[2]趙文輝. 變頻電機噪聲分析與計算. 防爆電機,2011.

[3]唐劍飛. 多相異步電機電磁噪聲研究. 船電技術,2012, (6):12-14.

[4]葉娟. 同步電機噪聲抑制設計. 電機與控制應用,2007.

[5]侯正武. 消除電機軸承異常聲的探討. 電機技術,2000.