電機(jī)噪聲支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

電機(jī)運(yùn)行噪聲在電動汽車、精密機(jī)床等應(yīng)用中日益突出。傳統(tǒng)噪聲控制主要集中在電磁設(shè)計優(yōu)化，而支撐結(jié)構(gòu)對噪聲的影響研究較少。支撐結(jié)構(gòu)作為振動傳遞的關(guān)鍵路徑，其剛度分布直接影響殼體模態(tài)特性和聲輻射效率[]?；谟邢拊治龅慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化方法為電機(jī)噪聲控制提供了新途徑。深入研究支撐結(jié)構(gòu)對噪聲的影響機(jī)理并建立優(yōu)化設(shè)計方法，具有重要的工程價值。

1.電機(jī)運(yùn)行噪聲源分析

1.1電機(jī)運(yùn)行噪聲的類型與成因

電機(jī)運(yùn)行噪聲主要源于三個方面：① 電磁噪聲指一種明顯不傳送信息的時變電磁現(xiàn)象。它的頻率、相位和振幅的變化是隨機(jī)的，具有不規(guī)則性。主要由定轉(zhuǎn)子間氣隙磁場的徑向和切向分量產(chǎn)生的Maxwell應(yīng)力波動引起，其特征頻率為 f=k×p×n/60 （k為諧波次數(shù)，p為極對數(shù)，n為轉(zhuǎn)速），在額定工況下通常表現(xiàn)為2倍、4倍和6倍電源頻率的倍頻特征。 ② 機(jī)械噪聲來源于軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時滾動體與內(nèi)外圈接觸產(chǎn)生的沖擊振動，其頻率計算公式為f=0.4×n×Z×（1±d×cosa/D） ，其中Z為滾動體數(shù)量，d為滾動體直徑，D為軸承節(jié)圓直徑，α為接觸角。 ③ 通風(fēng)噪聲由冷卻風(fēng)扇葉片與空氣相互作用產(chǎn)生的渦流和壓力脈動形成，頻率特征為葉片通過頻率及其倍頻。

1.2噪聲傳播路徑與殼體結(jié)構(gòu)的耦合作用

噪聲從激勵源傳遞至外部空間經(jīng)歷結(jié)構(gòu)到聲耦合過程。電磁力首先作用于定子鐵心，通過定子與殼體的過盈配合將振動能量傳遞至殼體結(jié)構(gòu)。殼體作為薄壁圓柱殼結(jié)構(gòu)，在低頻段主要表現(xiàn)為整體彎曲模態(tài)，中頻段則出現(xiàn)局部板式振動模態(tài)。當(dāng)激勵頻率接近殼體固有頻率時，結(jié)構(gòu)響應(yīng)顯著放大，導(dǎo)致聲輻射急劇增強(qiáng)。支撐結(jié)構(gòu)通過邊界約束改變了殼體的模態(tài)特性，不僅影響固有頻率分布，還直接決定振動向基礎(chǔ)的傳遞路徑與效率。

2.現(xiàn)有殼體支撐結(jié)構(gòu)建模與噪聲響應(yīng)分析

2.1建立電機(jī)殼體及支撐結(jié)構(gòu)有限元模型

采用ANSYSWorkbench建立包含定子鐵心、殼體和支撐結(jié)構(gòu)的精細(xì)化有限元模型。各部件根據(jù)幾何特征選擇相應(yīng)的單元類型，材料屬性按照實際工程參數(shù)設(shè)定。定子鐵心與殼體間的過盈配合通過接觸單元實現(xiàn)，支腳與基礎(chǔ)連接采用固定約束模擬。網(wǎng)格劃分采用自適應(yīng)細(xì)化策略，在應(yīng)力集中區(qū)域和接觸面附近進(jìn)行局部加密，最終模型節(jié)點數(shù)約15萬個。參數(shù)見表1。

2.2模態(tài)分析與頻響特性分析

模態(tài)分析結(jié)果顯示，該電機(jī)殼體前10階固有頻率分布在 180Hz 至1200Hz 范圍內(nèi)，其中第3階和第7階模態(tài)呈現(xiàn)橢圓變形特征，與電磁激勵的2倍頻和4倍頻特征頻率接近，存在潛在的共振風(fēng)險。頻響分析以定子鐵心表面施加單位幅值的徑向力為激勵，計算殼體表面各節(jié)點的振動響應(yīng)。結(jié)果表明，在 320Hz 和 680Hz 附近出現(xiàn)明顯的響應(yīng)峰值，對應(yīng)前述橢圓模態(tài)的激勵，此時殼體表面振動速度較其他頻率高出

15-20dB。

2.3基于仿真結(jié)果的噪聲源定位與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)識別

通過聲學(xué)邊界元方法計算殼體表面振動產(chǎn)生的遠(yuǎn)場聲壓，識別出主要噪聲輻射區(qū)域位于殼體中部圓周區(qū)域，該區(qū)域?qū)?yīng)橢圓模態(tài)的最大變形位置。支撐結(jié)構(gòu)的剛度分布直接影響這些關(guān)鍵模態(tài)的頻率和振型。當(dāng)前支撐方案在 320Hz 共振頻率處的聲功率級達(dá)到85dB，遠(yuǎn)超設(shè)計要求的75dB限值。分析表明，通過調(diào)整支撐點位置和剛度分布，可以有效調(diào)諧模態(tài)頻率，避開激勵頻率，并降低關(guān)鍵模態(tài)的振動幅值[2]。

3.支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案

3.1優(yōu)化目標(biāo)與約束條件設(shè)定

建立以噪聲控制為主要目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)：F（x）=w₁×SPL+w₂×Mass+w₃×Stress

其中SPL為關(guān)鍵頻率點的聲壓級，Mass為支撐結(jié)構(gòu)質(zhì)量，Stress為最大應(yīng)力水平， w_1s W₂， W₃ 為權(quán)重系數(shù)，分別設(shè)定為0.6、0.2、0.2。約束條件包括支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力的0.8倍，第一階固有頻率不低于 100Hz 以避免低頻共振，支撐點數(shù)量不超過4個以控制制造成本。

3.2優(yōu)化變量選擇

選擇支撐結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和位置參數(shù)作為設(shè)計變量。幾何參數(shù)包括支腳厚度t（5-15mm）、支腳寬度w（ 20-40mm） 和支腳高度h（ 30-60mm） ）。位置參數(shù)為各支撐點在圓周方向的角度分布 θ_i ，約束條件為相鄰支撐點間距不小于 60^° 以保證安裝空間。材料參數(shù)中彈性模量E的變化范圍為50-150GPa，對應(yīng)不同支撐材料的選擇。共計12個設(shè)計變量構(gòu)成優(yōu)化空間。

3.3多目標(biāo)優(yōu)化方法與求解策略

采用改進(jìn)的非支配排序遺傳算法NSGA-II進(jìn)行求解[3]，NSGA-ⅡI是最流行的多目標(biāo)遺傳算法之一，它降低了非劣排序遺傳算法的復(fù)雜性，具有運(yùn)行速度快，解集收斂性好的優(yōu)點，成為其他多目標(biāo)優(yōu)化算法性能的基準(zhǔn)。種群規(guī)模設(shè)定為100，進(jìn)化代數(shù)為200代。算法中交叉概率為0.9，變異概率采用自適應(yīng)策略，初期為0.1，后期降至0.01以提高收斂精度。為提高計算效率，建立基于Kriging方法的代理模型。代理模型通過拉丁超立方抽樣獲得300個訓(xùn)練樣本，預(yù)測精度 R² 達(dá)到0.92以上。優(yōu)化過程中每隔50代更新一次代理模型，確保優(yōu)化結(jié)果的可靠性，最終獲取Pareto最優(yōu)解集。

4.優(yōu)化方案驗證

基于優(yōu)化得到的最優(yōu)解集，選擇噪聲性能最優(yōu)的3個方案進(jìn)行詳細(xì)驗證，不同優(yōu)化方案性能對比見表2，優(yōu)化前后關(guān)鍵頻率點聲壓級對比見表 3

方案A采用不等間距4點支撐，支撐點位置為 0^° ， 85^° 1 180^°. ， 275^° 支腳幾何參數(shù)為 t=8mm ， w=32mm h=45mm 。仿真結(jié)果顯示， 320Hz 處的聲壓級降低至78dB，相比原方案降低7dB，同時結(jié)構(gòu)質(zhì)量僅增加 1.2kg 并搭建電機(jī)噪聲測試平臺進(jìn)行實驗驗證，采用ICP加速度傳感器測量殼體表面振動，使用Bamp;K聲級計在1m距離處測量A計權(quán)聲壓級。測試結(jié)果與仿真預(yù)測的誤差在3dB以內(nèi)，驗證了優(yōu)化方案的有效性。優(yōu)化后的支撐結(jié)構(gòu)成功將電機(jī)整機(jī)噪聲從原來的82dB降低至76dB，滿足了設(shè)計指標(biāo)要求。

5.結(jié)束語

通過建立精細(xì)化的有限元模型和聲學(xué)仿真方法，成功識別了影響噪聲的關(guān)鍵模態(tài)頻率。采用多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)，在滿足強(qiáng)度要求前提下顯著降低了電機(jī)噪聲。優(yōu)化方案將整機(jī)噪聲從82dB降至76dB，為電機(jī)低噪聲設(shè)計提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈紅丹、吳婉晴、高藝等。轉(zhuǎn)向節(jié)式輪轂電機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計[J].時代汽車，2023（9）：120-122.

[2]李龍旭、王亦青。煤礦井下防爆電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[J].電氣防爆，2024（1）：1-4.

[3]蘇凱、季杰、陸彬。基于拓?fù)鋬?yōu)化的大型推進(jìn)電機(jī)支撐結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計[J].機(jī)電工程技術(shù)，2024，53（5）：248-251.作者單位：武漢鐵路職業(yè)技市學(xué)院