電磁仿真與結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)仿真耦合運(yùn)算方法在電磁噪音分析中的應(yīng)用

陳川禮 卓祖德 李 慶

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前，電機(jī)產(chǎn)品開發(fā)過程中經(jīng)常遇到的噪聲問題，其分析手段和解決思路主要是參考一些現(xiàn)有的理論文獻(xiàn)資料和借鑒一些資深從業(yè)者的過往經(jīng)驗(yàn)，缺乏有效科學(xué)的專業(yè)分析技術(shù)手段，無法從理論層面提前預(yù)警并進(jìn)行規(guī)避設(shè)計(jì)。

本文運(yùn)用ANSYS 軟件的Workbench 的Harmonic Response 諧響應(yīng)分析模塊與Maxwell 2D（3D）電磁場(chǎng)有限元仿真分析，對(duì)電機(jī)從電磁與機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行一套耦合運(yùn)算仿真，并與驗(yàn)證在特定電磁方案輸出激勵(lì)源在不同機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)下的噪音結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。根據(jù)對(duì)電機(jī)的震動(dòng)噪聲仿真分析結(jié)果，可以通過優(yōu)化電磁方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改良，在制作方案樣機(jī)前提前輸出噪音規(guī)避方案，不但可以縮短開發(fā)周期，同時(shí)能最大程度上減少產(chǎn)品開發(fā)成本。

1 ANSYS 仿真分析

仿真平臺(tái)ANSYS Workbench 是能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、模態(tài)、諧響應(yīng)、振動(dòng)等仿真，其獨(dú)特的項(xiàng)目圖形化界面把整個(gè)仿真過程緊密結(jié)合在一起，完成復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合分析，利用電場(chǎng)、電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)、結(jié)構(gòu)等多個(gè)物理場(chǎng)交互耦合運(yùn)算分析，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段提前發(fā)現(xiàn)問題，利用多個(gè)變量參數(shù)仿真需求最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，最大成都的節(jié)約開發(fā)資源。

1.1 電磁仿真

本文內(nèi)容是利用電磁仿真軟件Maxwell（2D）對(duì)電機(jī)進(jìn)行電磁仿真分析，計(jì)算設(shè)定參數(shù)后電磁方案的性能輸出，并對(duì)其各相繞組的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行傅里葉求解，分析各奇數(shù)次諧波含量占比以及對(duì)應(yīng)頻率，含量占比高的奇次諧波會(huì)反饋到電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變化以及對(duì)應(yīng)頻率的轉(zhuǎn)矩諧波含量占比。電機(jī)作為動(dòng)能輸出的主運(yùn)動(dòng)部件，即為整機(jī)振動(dòng)噪聲的主激勵(lì)源，其轉(zhuǎn)矩輸出的激振頻率和諧波分量直接影響整機(jī)在固有頻率下共振放大情況。

1.2 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是利用掃頻分析，分析電機(jī)的固有頻率以及電機(jī)在電磁激振諧波的簡(jiǎn)諧載荷作用下的響應(yīng)，得出產(chǎn)品的共振頻率和不同模態(tài)下的響應(yīng)振幅大小，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案、增加減震措施等預(yù)案，確保產(chǎn)品能適應(yīng)不同諧波頻率下的諧振載荷。諧響應(yīng)分析的載荷是隨時(shí)間正弦變化的簡(jiǎn)諧載荷，電機(jī)輸出的激振是以基波加不同含量占比奇次諧波分量的載荷，符合諧響應(yīng)分析要求。

2 交流電機(jī)建模仿真

運(yùn)用Maxwell 軟件對(duì)交流電機(jī)電磁進(jìn)行2D 建模，計(jì)算特定電磁方案參數(shù)下的電機(jī)性能，分析輸出的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大小以及反電動(dòng)勢(shì)奇次諧波含量。

運(yùn)用Workbench 軟件對(duì)交流電機(jī)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行建模，先分析模型各階模態(tài)，求解其產(chǎn)品各階模態(tài)下的固有頻率和振型；根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際安裝結(jié)構(gòu)與受力情況，設(shè)置施加載荷和約束，最后運(yùn)用Harmonic Response 諧響應(yīng)分析模塊進(jìn)行諧響應(yīng)分析，求解模型各階響應(yīng)頻率、相位角以及形變，并比對(duì)電磁仿真的諧波頻率是否相近，從而評(píng)估是否會(huì)共振并產(chǎn)生電磁噪音。

2.1 Maxwell 電磁方案仿真

本次講解案例為常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)，為了快速建模并縮短運(yùn)算時(shí)間，先通過RMxprt 模塊快速建立電機(jī)模型，再將運(yùn)算結(jié)果直接導(dǎo)入MAwell（2D）模塊，設(shè)置多個(gè)變量（尺寸、質(zhì)量、密度等物理參數(shù)）進(jìn)行參數(shù)化的有限元方針分析。RM 模型轉(zhuǎn)換2D 模型如圖1 所示。

圖1 RM 模型轉(zhuǎn)換2D 模型

計(jì)算各項(xiàng)繞組反電動(dòng)勢(shì)，并對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行傅里葉求解，主相反電動(dòng)勢(shì)以及傅里葉運(yùn)算求解結(jié)果如圖2 所示。分析各奇數(shù)次諧波含量占比，其中本案例方案的25次和27 次諧波含量約4.53 %、3.9 %，占比高，其對(duì)應(yīng)頻率為1 037.5 Hz、1 120.5 Hz。是導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)放大的主因，從而引起高頻激振。

圖2 主相反電動(dòng)勢(shì)以及傅里葉運(yùn)算求解結(jié)果

2.2 Workbench 諧響應(yīng)分析

1）按照電機(jī)實(shí)際組裝結(jié)構(gòu)創(chuàng)建幾何模型（圖3 剖視圖），并設(shè)置各零件材料屬性（見表1）。同時(shí)根據(jù)實(shí)際安裝要求設(shè)置固定約束和位移約束（無約束條件，其模態(tài)仿真輸出1-6 階模態(tài)為自由模態(tài)，無參考意義）。

圖3 電機(jī)模型

表1 交流電機(jī)的材料參數(shù)

2）模態(tài)分析與后處理：求解1-10 階模態(tài)下的結(jié)構(gòu)固有頻率和振型（本案例的各階模態(tài)固頻見圖4），本案例的一階模態(tài)固頻（1 016.7 Hz）接近電磁仿真的25次諧波激振頻率，極易產(chǎn)生共振放大和噪音。

圖4 本案例的各階模態(tài)固頻

3）對(duì)一階模態(tài)振型分析，其最大形變部位集中在轉(zhuǎn)軸軸頭，而電機(jī)作為輸出動(dòng)能部件，轉(zhuǎn)軸作為傳導(dǎo)機(jī)械能的核心傳動(dòng)紐帶，其激振形變大將直接導(dǎo)致共振振幅和噪音放大。一階模態(tài)下形變?cè)茍D如圖5 所示。

圖5 一階模態(tài)下形變?cè)茍D

4）施加載荷：電機(jī)通電工作中，其定子鐵芯承受軸向和徑向磁拉力，載荷設(shè)置在定子鐵芯內(nèi)圓等下施加200 N 切向力。

5）諧響應(yīng)計(jì)算及結(jié)果后處理：求解各節(jié)點(diǎn)隨頻率的變化曲線和各階響應(yīng)角及形變（如圖6）；本案例模型在1 025 Hz 出現(xiàn)形變量突變，與電磁仿真的1 037.5 Hz激振諧波頻率相近。

圖6 變化曲線、各階響應(yīng)頻率及相位角

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過調(diào)整零部件材料屬性，改變其自身固有頻率并能承受住特定頻率的簡(jiǎn)諧載荷，避免發(fā)生結(jié)構(gòu)共振和噪聲。分析模型形變，轉(zhuǎn)軸軸頭為最大形變部位，故將轉(zhuǎn)軸材料彈性模量調(diào)整到3.1E+11 Pa。

各階模態(tài)固有頻率發(fā)生變化，同等約束條件下，一階模態(tài)固頻增大到1 304.6。同時(shí)對(duì)其諧響應(yīng)分析，在3 000 Hz 以下未出現(xiàn)諧響應(yīng)突變，有效的規(guī)避了1 037.5 Hz 激振頻率（如圖7、圖8 所示）。

圖7 優(yōu)化方案的一階模態(tài)形變?cè)茍D

圖8 優(yōu)化方案的變化曲線、各階響應(yīng)頻率及相位角

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)不同轉(zhuǎn)軸材料屬性模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析，采購(gòu)不同硬度的轉(zhuǎn)軸樣品；同時(shí)為了消除其他零部件差異導(dǎo)致噪音效果判定的干擾，電機(jī)除轉(zhuǎn)軸替換對(duì)比測(cè)試外，其他零部件共用。

本案例結(jié)合優(yōu)化仿真結(jié)果，通過改變轉(zhuǎn)軸硬度（硬度提升58 HB），針對(duì)存在1 020 Hz 高頻噪音電機(jī)實(shí)物更換調(diào)制處理后的轉(zhuǎn)軸，并測(cè)試對(duì)比噪音效果，其高頻噪音改善明顯，與仿真結(jié)構(gòu)相符。

優(yōu)化前后噪音效果對(duì)比見表2。

表2 優(yōu)化前后噪音效果對(duì)比

5 結(jié)語

本文對(duì)交流電機(jī)運(yùn)用ANSYS 的電磁仿真和結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)仿真，解析電機(jī)電磁性能以及激振諧波頻率，分析電機(jī)的固有頻率以及電機(jī)在電磁激振諧波的簡(jiǎn)諧載荷作用下的響應(yīng)，得出產(chǎn)品的共振頻率和不同模態(tài)下的響應(yīng)振幅大小，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案、增加減震措施等預(yù)案，確保產(chǎn)品能適應(yīng)不同諧波頻率下的諧振載荷，達(dá)到降噪、減震的預(yù)警優(yōu)化設(shè)計(jì)。