異步風力發電機電磁噪聲數值計算與試驗驗證

龍英睿，張冬妮，張吉健

（1.江蘇中車電機有限公司，湖南 株洲 412000；2.懿朵信息科技有限公司，上海 201108）

發電機已廣泛應用于風電、汽車、家電等工程領域，其振動噪聲問題也越來越受到重視。發電機噪聲可分為電磁噪聲、機械噪聲和空氣噪聲。電磁噪聲與氣隙內的諧波磁場及由此產生的電磁力波幅值、頻率和極數，以及定子本身的振動特性（如固有頻率、阻尼、機械阻抗）均有密切的關系，還與電機定子的聲學特性有很大關系。以上三種噪聲中，機械噪聲所占成分較少，由空氣動力引起的噪聲往往可以通過成熟的CFD手段來預測與優化，而由電磁力引起的電磁噪聲由于涉及多物理場耦合，其數值分析具有一定的挑戰。

大中型異步電動機的噪聲比較高，目前仍然是電機設計的一大難題。電磁噪聲與激振電磁力和機械振動模態均息息相關，當電磁力波和定子模態的階次一致且頻率相接近時，會導致定子共振從而引起大的電磁噪聲，為了避免共振以降低電磁噪聲，需要利用有限元法研究激振電磁力和機械振動模態。本文將以某異步風力發電機為例進行電磁振動與噪聲數值計算，并通過試驗驗證，發現數值計算與試驗結果具有良好的吻合性，驗證了數值計算方法的準確性和可行性，后續在發電機前期開發階段采用數值模擬對其電磁噪聲進行快速預測與優化，為發電機低噪聲設計及選型提供工程指導。

1 基于聯合仿真的發電機電磁振動噪聲的計算

1.1 發電機電磁噪聲理論基礎

發電機可看作電機的逆過程，與一般電機電磁噪聲基本相同，電機電磁噪聲主要是由電磁力作用在定、轉子間氣隙中，產生旋轉力波或脈動力波，促使定子產生高倍數電源頻率的振動而引起的。

定、轉子間產生的電磁力可分解為切向和徑向兩個分量，切向分量是與電磁轉矩對應的反作用力，它使定子齒根產生局部變形，對電磁噪聲影響不大，徑向分量使定子鐵心產生振動變形，是電磁噪聲的主要來源，單位面積的徑向電磁力Fr的數值及分布按（1）式計算：

電磁力作用在電機定子上，使其產生振動，電機的無阻結構振動方程可表示為：

式中：M、K分別表示系統質量、剛度矩陣，{x(t)}為偏離原平衡位置的廣義位移矢量。

電機結構在電磁力作用下振動對外輻射噪聲，聲波傳播過程的波動方程為：

1.2 技術路線

電機振動噪聲系統是一個多物理場耦合的系統，預測電機電磁噪聲需要計算電磁、結構與噪聲耦合場，即建立電機電磁-振動-聲學單向耦合分析模型，首先將通過電機電磁建模分析輸出電磁力結果，然后將電磁力數據映射到結構有限元模型輸出振動結果，最后建立聲學模型進行聲輻射計算，并預測電機電磁噪聲，實現電機電磁-振動-噪聲多物理場耦合的方法計算電磁噪聲，其技術路線如下圖1。

圖1 電機電磁-結構-聲學耦合分析技術路線

1.3 發電機電磁分析

利用Infolytica軟件的MagNet模塊來完成風力發電機的電磁與電磁力計算。電磁計算模型可直接在MagNet中建立，通過邊界設定、材料屬性設定和網格劃分等操作，經過電磁計算得到電磁模型單元節點電磁力，經過自編電磁噪聲接口程序轉換，輸出結構軟件Ansys可讀取的電磁力數據格式，以便進行后續振動計算。風力發電機的磁密、電磁諧波及電磁力波分析結果如下圖2。

圖2 磁密及磁力線分布圖

從圖2可以看出，發電機磁場分布對稱，磁密值在合理的范圍內，且均在設計值范圍內，滿足電磁方案磁密設計的要求。

圖3 電磁諧波圖

從圖3可以看出，發電機定子與轉子的氣隙基波磁密為0．69T，但基波磁密對噪聲是無影響的，可忽略，發現6、8、11、13次諧波較大，對電磁噪聲影響較大，需要重點關注。

從圖4可以看出。

圖4 定子齒電磁力波圖

（1）總體而言，電磁力波頻率主要分布在2000Hz以下，主要集中在0～500Hz和1200～1800Hz頻段，主要電磁噪聲也將集中在此頻段。

（2）可以看出，在關鍵頻率點如50Hz、100Hz、150Hz、200Hz等為電源工頻的整數倍，是電源諧波引起的典型電磁噪聲；在1452Hz等位置有較大的峰值，這是典型的發電機轉頻造成的電磁諧波。

（3）發電機在高頻1452Hz附近幅值比低頻100Hz處幅值較小，但由于人耳對低頻噪聲不敏感，即100Hz附近噪聲對總聲壓級貢獻較小，而1452Hz附近可能為主要電磁噪聲源。

1.4 發電機模態分析

發電機原始模型為電機裝配體結構，由于原始模型部件較多，且部件之間的連接關系復雜，如轉子系統、螺栓等，直接對原始模型進行模態分析會造成網格單元較多、分析周期冗長，因此需要對模型進行適當簡化，前提是簡化后的電機結構模型在性能上與原始模型差別不大，經模態計算后，整機模態在4500Hz以內大約有800階，這里不一一列出，只列出典型模態頻率和振型如下圖5、圖6。

圖5 定子及機座有限元模型示意圖

圖6 模態振型圖（上：定子，下：機座）

模態分析結論如下。

（1）主要提取了4500Hz以內的模態振型和頻率，實際上在高頻如1000Hz以上模態比較密集，難以區分其具體振型結構。

（2）模態計算結果將作為后續的發電機電磁振動頻計算的輸入。

1.5 發電機電磁振動分析

將1．3節計算得到的電磁力結果進行節點插值到1．4節的模態分析模型上，完成電磁到振動分析模型的電磁力加載，然后進行振動響應數值計算，可以得到發電機結構在電磁激勵下的振動響應結果，作為后續的聲輻射計算的輸入。不同頻率下結構的振動位移如下圖7所示。

圖7 發電機殼體振動位移云圖

1.6 發電機電磁噪聲分析

在完成1．5節發電機電磁激勵下的振動響應后，將發電機結構表面的振動速度或者位移作為聲學計算的邊界條件，并將其映射在聲學面網格上，在電機結構外壁面包絡生成聲學有限元網格作為聲學計算的近場網格，計算電磁輻射噪聲。Actran求解發電機電磁噪聲時，聲學分析流程如圖8所示。

圖8 發電機電磁聲輻射計算流程圖

電機聲學計算網格模型及虛擬麥克風場點布置如圖9和圖10所示。

圖9 聲學計算網格模型示意圖

圖10 虛擬麥克風點布置示意圖

在Actran中經過聲學求解計算可以輸出聲輻射數據。其中圖11為發電機在頻率1275Hz下的聲壓云圖（單位：dBA），表示發電機殼體輻射聲壓的分布情況。

圖11 發電機輻射聲壓云圖分布（1275Hz）

為了驗證仿真結果的準確性，本文對風力發電機本體進行了噪聲測試，測試工況及監測點與仿真保持一致。圖12和圖13分別為仿真與測試的聲功率圖。

圖12 發電機聲功率仿真結果

圖13 發電機聲功率測試結果

從圖11～13可以看出，發電機電磁噪聲總聲功率級仿真值為99dBA、測試值為96．7dBA，仿真與測試結果較為接近，說明計算模型是準確的。仿真計算得到電磁噪聲峰值位置為1452Hz，與測試結果相同，兩者具有較好的一致性，同時也可以看出在某些頻率下（如508Hz等）聲壓出現峰值，該頻率與電機定子結構模態頻率相吻合，采取改變結構剛度或增加阻尼等方式以便避開電磁激勵頻率，可有效抑制結構振動，從而降低噪聲。

2 結語

（1）研究了利用電磁、結構與聲學軟件進行發電機全三維模型電磁噪聲的多物理場耦合計算方法，預測了電磁噪聲水平，與試驗測試相比，兩者結果一致性好，仿真預測方法可信。

（2）仿真計算得到的電磁噪聲峰值頻率為1452Hz，與測試結果吻合，從側面驗證電機電磁噪聲源主要分布在1452Hz左右，為工程降噪提供了指導方向。

（3）本文提出的電磁噪聲計算方法可用于電機電磁噪聲的研究與分析，為低噪聲發電機或電機產品設計與優化提供工程指導，可以在產品設計階段對電磁噪聲進行前期預測與優化，減少后期由于噪聲超標所導致的費時費力的優化工作，從而提高產品的競爭力。

（4）后續將在此基礎上進一步做優化與分析工作，對不同電磁方案的電磁噪聲進行分析，研究噪聲性能較好的電磁設計方案，如對不同齒槽配合、開口槽與閉口槽等進行優化分析等。同時還將針對原量產的發電機產品通過試驗手段分析電磁噪聲特性，找出電磁噪聲偏大的原因，提出工程降噪治理方案，并通過試驗驗證。

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