基于ANSYS和SYSNOISE的電機噪聲仿真分析方法

崔淑梅， 于天達， 宋立偉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

電機氣隙磁場引起的電磁激振力作用于電機結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致電機振動，形成聲波輻射。結(jié)構(gòu)振動聲輻射問題的分析方法主要有解析法和數(shù)值法兩大類。采用解析法計算電機噪聲輻射時，通常將其近似等效為平面輻射器、無限長圓柱形輻射器或球形輻射器［1－2］。然而，實際電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這種方法誤差較大，也不能精細地分析與優(yōu)化電機。數(shù)值法可解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計算問題［3－5］。

ANSYS是基于有限元法的一個分析軟件，可以分析電機的電磁學(xué)特性和熱力學(xué)特性，也可進行結(jié)構(gòu)振動分析，但用于電機的噪聲分析時，只能得到振動特性，不能進一步得到電機的聲響特性。尤其是實驗一般測得的是電機聲響特性，仿真結(jié)果不能直接與實驗結(jié)果相對應(yīng)，需要進一步處理。SYSNOISE是一個專業(yè)振動與聲學(xué)分析軟件，可以直接得到聲響特性，目前其主要應(yīng)用于船舶、管道等領(lǐng)域［6－8］。

SYSNOISE善于處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動聲學(xué)問題，但沒有有限元和邊界元網(wǎng)格生成前處理功能;ANSYS善于進行網(wǎng)格前處理以及結(jié)構(gòu)振動分析。因此進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值分析時，就需要采用ANSYS和SYSNOISE進行聯(lián)合仿真，如文獻［9］研究了處理彈性結(jié)構(gòu)水下振動和聲輻射問題時ANSYS和SYSNOISE之間的數(shù)據(jù)接口技術(shù)，文獻［10］將兩軟件聯(lián)合成功地對魚雷振動及聲學(xué)特性進行了分析。

由于電機與上述兩系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和激振力產(chǎn)生原因不同，因此，以一臺永磁直流電機為例，從電機有限元模型的建立、電磁激振力的計算、模型網(wǎng)格導(dǎo)入、邊界條件的加載幾個方面，研究將ANSYS和SYSNOISE聯(lián)合進行電機噪聲數(shù)值分析的具體方法。

1 基于SYSNOISE電機噪聲分析方法

以某汽車發(fā)動機冷卻風(fēng)扇用4極20槽150 W永磁直流電機為例，探討結(jié)合ANSYS和SYSNOISE軟件平臺進行聲輻射仿真分析的方法。

1.1 分析流程

采用SYSNOISE和ANSYS進行聲學(xué)計算分析的流程如圖1所示。

1)在ANSYS中進行三維建模，并用實體單元(Solid 186)和殼單元(shell 91)進行網(wǎng)格劃分，保存為*．cbd文件。

2)在ANSYS中進行結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析，將 振動位移數(shù)據(jù)保存為*．fre文件。

3)將網(wǎng)格模型(*．cbd)和結(jié)構(gòu)振動邊界條件(*．fre)導(dǎo)入SYSNOISE，并設(shè)置自由邊界條件、流體屬性，求解頻率范圍和步長。

4)聲學(xué)響應(yīng)求解。

圖1 ANSYS與SYSNOISE聯(lián)合仿真流程Fig．1 The flowchart of co-simulation in ANSYS and SYSNOISE

1.2 模型建立方法

在圖1所示的仿真流程步驟1)中采用實體單元網(wǎng)格劃分技術(shù)，而邊界元不能采用實體單元，因此必須對原有限元模型進行適當(dāng)處理才可轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的聲學(xué)邊界元模型;考慮到步驟2)中計算得到的電機的振動頻響特性，在聲學(xué)計算中要作為 SYSNOISE聲學(xué)邊界元模型的輸入邊界激勵條件加入，因此將有限元模型進行抽殼處理，并對整機結(jié)構(gòu)外聲場計算結(jié)果影響較小的局部特征(如部分附件、螺栓孔、機殼內(nèi)永磁體等)進行進一步簡化，但節(jié)點不進行任何處理，以保持有限元模型與邊界元模型節(jié)點的一致性，從而保證數(shù)據(jù)導(dǎo)入的正確性。另外，在邊界元的噪聲輻射計算中，單元的細化程度由結(jié)構(gòu)總體尺寸和聲學(xué)流體域中預(yù)計算得到的最高頻率數(shù)值決定，所選單元特征尺寸必須小于由最高關(guān)心頻率所決定的聲波波長的1/6時，聲學(xué)量結(jié)果的計算精確度方可滿足要求［6］。綜合考慮計算可以達到的精確度、建模的復(fù)雜程度以及求解成功的可能性，本文中機殼選用四邊形單元，端蓋選擇三角形單元實現(xiàn)邊界元網(wǎng)格模型的離散，并確定聲邊界元網(wǎng)格所取的單元長度最大為5 mm，以保證所要分析的模型頻率精確度控制在661 Hz以下。

圖2(a)為整機實體模型，圖2(b)為結(jié)構(gòu)有限元分析中簡化的有限元模型，圖2(c)為經(jīng)抽殼、單元翻轉(zhuǎn)等操作后的邊界元模型。邊界元模型共有節(jié)點8 928個，單元3 436個，邊界元模型能夠滿足高頻計算的要求。

圖2 聲輻射分析模型的建立Fig．2 Establishment of model for acoustic radiation

1.3 邊界條件施加方法

作用在永磁直流電機上的激振力所產(chǎn)生的位移響應(yīng)通過ANSYS計算得到。所分析的小型永磁直流電機的噪聲主要由電磁激振力產(chǎn)生，其來源有徑向電磁力、轉(zhuǎn)矩脈動和不平衡磁拉力，其中徑向電磁力主要是由定子主波磁場與轉(zhuǎn)子齒諧波磁場產(chǎn)生;轉(zhuǎn)矩脈動為永磁體與電樞齒間相互作用力的切向分量的波動以及繞組感應(yīng)電流紋波所引起;不平衡磁拉力主要由裝配誤差所致，通常通過工藝手段可以控制在允許的范圍內(nèi)，與前兩項相比較小，計算時暫不考慮。

通過分析可知，4極20槽150 W永磁直流電機徑向電磁力和脈動轉(zhuǎn)矩的主要諧波次數(shù)為20次、40次和60次，其中20次諧波成分最大，而且齒槽轉(zhuǎn)矩諧波幅值與轉(zhuǎn)速無關(guān)，而電磁轉(zhuǎn)矩諧波幅值隨轉(zhuǎn)速正比下降，電磁轉(zhuǎn)矩各次諧波與齒槽轉(zhuǎn)矩相應(yīng)諧波發(fā)生矢量疊加，導(dǎo)致20次諧波彼此增強，成為主要成分。電機電磁力的20次諧波作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生振動變形為4階，圖3為電磁力諧響應(yīng)分析所得的振動云紋圖。

圖3 電機振型的有限元仿真結(jié)果Fig．3 FEM results of mode shapes for the motor

將ANSYS分析所得的位移邊界條件通過SYSNOISE預(yù)設(shè)的與有限元軟件間的接口導(dǎo)入邊界元計算模型中，即完成了主要邊界條件的施加。但SYSNOISE能夠識別的數(shù)據(jù)格式與有限元計算結(jié)果存在一定的差別，需要編制格式轉(zhuǎn)換程序?qū)㈨憫?yīng)計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為SYSNOISE能夠識別的數(shù)據(jù)文件。圖4為格式轉(zhuǎn)換程序框圖。SYSNOISE會根據(jù)有限元和邊界元網(wǎng)格間的關(guān)系，利用轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)文件自動探測耦合表面，實施正確的模型邊界條件傳遞，這樣便實現(xiàn)了ANSYS與SYSNOISE的接力分析。

圖4 數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換程序框圖Fig．4 Program flowchart of file conversion

2 仿真計算及結(jié)果分析

圖5 機殼表面振速(430 Hz)Fig．5 Vibration speed of shell surface(430 Hz)

建立上述邊界元模型并施加邊界條件后，就可以利用SYSNOISE軟件計算電機的聲學(xué)特性。圖5為電機機殼表面振速云紋圖，表示機殼表面振動速度的分布情況。圖6(a)為球面空間的聲壓云紋圖，通過圖6(a)可以得到電機在其周圍空間噪聲輻射的分布情況。計算所選場點為圖6(b)所示的球心位于電機機殼結(jié)構(gòu)中心，半徑為0.1 m的球面場點。然后可以求取圖中任何一點的聲壓頻響函數(shù)。圖7為圖6(a)中場點122處的聲壓頻響函數(shù)，通過圖7可以得到電機在其額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化時的噪聲輻射情況。聲學(xué)頻響分析中采用窄頻程，計算頻率為133～661 Hz，步長為33 Hz(對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速為400～2 000 r/min，步長為100 r/min)。

圖6 場點網(wǎng)格模型及聲壓(430 Hz)Fig．6 Mesh model and acoustic pressure of field point(430 Hz)

圖7 場點122處頻響函數(shù)Fig．7 Frequency response function of field point 122

3 實驗驗證

實驗在半消聲室中進行，噪聲測試裝置為BK2238噪聲計和南京安正CRAS信號分析系統(tǒng)。為了減少計算時間，仿真時建立的是半徑為0.1 m的球面并計算該面上的噪聲值，實驗時測試的也是距離中心0.1 m的相應(yīng)點。實驗中使電機分別在400～2 000 r/min(步長為100 r/min)的各轉(zhuǎn)速工作點上穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，測試得到了各轉(zhuǎn)速點的噪聲頻譜。

利用所建立的仿真方法，計算電機的的噪聲頻譜，圖8為舉例點600 r/min(對應(yīng)430 Hz)時的情況。求出20次電磁力波所激發(fā)的噪聲幅值，將各轉(zhuǎn)速點所對應(yīng)的20次電磁力波所激發(fā)的噪聲幅值綜合到一起，即可得到電機在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化時噪聲的實際輻射情況，如圖9所示。與仿真結(jié)果相比，實測值與仿真結(jié)果存在一定的誤差，最大相對誤差為8.5%。產(chǎn)生誤差的主要原因為:電機在實際運行中20次力波除了含有文中所給定的徑向電磁力以外還有齒槽轉(zhuǎn)矩等力波成分;另外，實驗所測得的噪聲數(shù)據(jù)中還包含電刷的機械換向噪聲等噪聲成分?？傮w上聲場計算結(jié)果是可靠的，聲場計算結(jié)果可為工程設(shè)計所接受。

圖8 600 r/min時噪聲頻譜圖Fig．8 Noise spectrogram at 600 r/min

圖9 不同轉(zhuǎn)速下噪聲實測與仿真結(jié)果對比Fig．9 The comparison of experiment and simulation

4 結(jié)語

本文研究了利用ANSYS與SYSNOISE聯(lián)合進行永磁直流電機全三維整體模型振動聲學(xué)數(shù)值計算的方法。建立了基于有限元技術(shù)的結(jié)構(gòu)動力計算模型，提取了基于邊界元技術(shù)的噪聲預(yù)測模型，給出了能將動力響應(yīng)計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為SYSNOISE可識別的數(shù)據(jù)文件的轉(zhuǎn)換方法。計算輸出了機殼表面振速云紋圖、場點聲壓云紋圖和場點聲壓的頻響函數(shù)，聯(lián)合仿真直接給出了噪聲頻譜和噪聲輻射結(jié)果。通過仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比，得到最大相對誤差為8.5%，計算精確度滿足了工程設(shè)計需要。

該方法既利用了ANSYS較容易建立電機結(jié)構(gòu)模型，得到振動特性的優(yōu)點，又發(fā)揮了SYSNOISE可以快速得到聲響特性的優(yōu)勢，加快了計算速度，仿真結(jié)果亦直觀，方便與實驗結(jié)果相比較。

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