直流無刷電機噪聲分析

權艷娜　南悅　郭炳岐

摘 要：噪聲由發聲體做不規則的振動產生，會影響人的正常工作、休息。電磁噪聲作為電機的主要噪聲源，需要對其進行分析和控制。電磁噪聲主要是氣隙磁場引起的電磁激振力，引起電機鐵芯振動，最終通過電機外殼輻射到電機周圍的區域內。因此，如何有效控制噪聲一直都是電機研制過程之中必須要注意的問題。電磁噪聲分析過程中涉及電磁場分析、諧振分析、聲場分析，該文運用Ansys Workbench強大的多物理域耦合分析能力，為直流無刷電機電磁噪聲分析提供了一種解決方案。

關鍵詞：電磁噪聲 振動 多物理域

中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（a）-0137-02

電機氣隙磁場引起的電機定子齒部的電磁激振力作用于電機結構會引起電機振動，形成聲波輻射[1]。結構振動聲輻射問題的分析方法主要有解析法和數值法兩大類。Ansys Workbench作為一款通用的有限元的分析軟件，在電機仿真領域得到了很好的應用。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中進行多物理域的聯合仿真，可以解決復雜結構的電磁噪聲仿真分析[2]。

1 鐵芯電磁力分析

1.1 電機模型簡化

以某16p24s永磁直流電機為例，利用Ansys Workbench仿真平臺進行聲輻射仿真分析，在Ansoft Maxwell的Rmprt中建立電機模型，為了實現電磁力的計算，將Rmprt中的模型導入2D下進行分析。

1.2 電磁力分析

對于直流無刷電機而言，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。為了更準確地進行電磁耦合力的仿真，需要對Maxwell 2D下模型進行調整。

（1）通過Boolean操作將定子鐵芯上的齒頂與齒中部和軛部分離，行成獨立的18個齒頂，見圖1。

（2）對18個齒頂進行網格加密，設置劃分網格的最大長度為0.5 mm，曲面逼近的誤差為0.03 mm。

（3）設置仿真時間為兩個電周期，每個周期內至少有100步。

（4）激活瞬態電磁場與諧響應耦合分析的簡諧耦合力計算選項。

1.3 電磁力分析結果

這里將Maxwell 2D下計算得到的定子齒上的電磁力作為激勵源，耦合到ANSYS Workbench中進行頻域的諧響應分析（見圖2）。

2 諧響應分析

在AnsysWorkbench中導入Maxwell 2D模型，添加諧響應分析模塊Harmonic Response，并將Maxwell 2D的仿真結果導入Harmonic Response，實現電磁力到諧響應分析的連接。

在Harmonic Response模塊內進行如下設置：

（1）導入的Harmonic Response中得到的電磁力。

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

諧響應分析得到定子鐵芯外表面的位移、速度和加速度等響應載荷，這些載荷作為激勵源，耦合到Acoustics聲學計算模塊中進行聲學計算。電機在電磁激振力下的最大幅值為2.46～5 mm，發生在電機齒尖位置，如圖4所示。

3 聲學分析

創建聲學計算模塊Acoustics，整個噪聲分析的模型如圖5所示。

噪聲傳播介質為空氣，主要考慮定子表面以外的區域的噪聲分布[3]。在AnsysWorbench內置的模型設計中繪制聲學區域的模型僅進行相關設置。該模型的設置如下。

（1）聲體與定子的長度相同，外徑長達1 m。

（2）網格劃分：從中心輻射向外由密到疏。

（3）設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。

設置聲體內表面作為聲固耦合的界面，并通過該界面將諧響應分析得到的位移速度和加速度等響應載荷耦合到聲體中。

（4）設置聲體的外表面作為聲固耦合的邊界。

通過Acoustics聲學計算，可以得到了各頻率下電機定子外空氣場的聲強、聲壓。最大頻率下的聲強、聲壓如圖6所示，電機最大聲壓為0.003 Pa，最大聲強為46 dB。

4 結語

文章將Maxwell 2D與Ansys Workbench結合，利用Ansys Workbench強大的電磁、振動、噪聲場耦合分析功能，通過以下的步驟，完成了一款直流無刷電機的噪聲分析。

（1）通過Maxwell 2D下的電磁場仿真得到定子齒上的電磁力。

（2）將模型導入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、加速度等諧響應結果。

（3）通過聲耦合分析，將定子外表面的諧響應分析結果導入Acoustics聲學計算模塊中，進行聲學分析，得到了各頻率電機定子外空氣區域的聲強、聲壓。

參考文獻

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

[2] 張藝華.車用交流發電機電磁振動噪聲特性及影響因素研究[D].西南交通大學，2015.

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