电机电磁振动噪声解决方案

1. 引言

1.1电机噪声分析技术背景

随着世界经济的发展和人民生活水平的提高，电机的用量与日俱增。尤其是在新能源汽车、家电及工业等领域内得到广泛应用，但是由于电机噪声指标不合格引起相关产品的振动、噪声问题，进而会影响产品的品质。电机的振动和噪声研究十分复杂，它涉及了电磁、能量转换、机械振动、特殊物理声学、电子学和数学等许多学科。

图 1-1电机噪声影响人们生活

一般来说，电机由于结构及机理的复杂，其噪声研究比振动研究更为困难。因为噪声涉及的是电机的整体作用，而振动涉及电机各个运动部件。电机噪声分类：

（1）电磁噪声

电磁力作用在定、转子间气隙中，产生旋转力波或脉动力波，使定子产生振动而辐射噪声，这类噪声称为电磁噪声。它与电机气隙内的谐波磁场及由此产生的电磁力波幅值、频率和极数，以及定子本身的振动特性，如固有频率、阻尼、机械阻抗均有密切的关系，还与电机定子的声学特性有很大关系。它主要由设计的电气参数和机械参数及装配工艺决定。

（2）机械噪声

电机中的机械噪声主要是由轴承和电刷引起的。这些噪声和它们所用的材料、制造质量及电机装配工艺、配合精度有关。

（3）空气动力噪声

由电机的冷却风扇产生，主要由风扇的型式、风扇和通风道及进出口的结构设计决定。在无外风扇的封闭电机中，空气动力噪声是微不足道的，主要是电磁噪声和机械噪声。但在高速开启式电机中，空气动力噪声是主要的噪声成分。必须在设计时恰当地考虑电机损耗所需的冷却风量，使风量的裕度最小，风扇的效率最高。

在以上三种电机噪声中，机械噪声所占成分较少；由空气动力引起的噪声往往可以通过成熟的CFD手段来预测与优化，其中由电磁力引起的电机噪声往往占据主要部分。

1.2电机电磁噪声分析研究难点

电磁软件与传统有限元分析软件有所不同，其本身特有的网格功能帮助工程师得到各部件及气隙处电磁力，但电磁软件本身网格往往很难导出有限元软件可以识别的文件类型；也就是导出的基于网格节点的电磁力在有限元分析软件中无法识别。

声学软件Actran14.0及以上版本，可以加载结构表面载荷，只需要得到电磁力加载的坐标即可，不依赖于电磁网格节点，这样就解脱了上述问题的束缚，能够很顺畅的求解电磁软件求得的电磁激励的声学响应。

海基科技公司通过对电磁噪声的研究，成功了开发专业的电磁分析软件Infolytica与专业声学仿真软件Actran之间的接口Mag Acoustics，可以对电机电磁噪声问题进行预测，使电机研发工程师能在电机设计阶段评估和优化电机结构，减少由电磁力引起的噪声超标，避免因为噪声问题影响产品性能。

2. 电机振动噪声的仿真解决方案

2.1 技术路线

电机振动噪声系统是一个多物理场耦合的系统，因此，海基提供一个耦合分析工具，建立电机电磁-声学耦合分析方法，确定技术路线如下图：

图2-1 技术路线

2.2 电磁与声学接口软件-Mag Acoustics

海基提供由电磁场到声学计算的接口程序，此接口为海基自主开发的产品，具有知识产权。该电磁声学接口软件主要功能如下：

（1）读取电磁软件如Infolytica软件的电磁力数据；

（2）对时域的电磁力数据进行傅里叶转换，输出频域的电磁力载荷数据；

（3）完成网格映射插值，将电磁计算模型上的数据插值到对应的声学网格上，以便后续的声学计算。

接口软件流程示意图如下：

图2-2 电磁-声学接口软件处理示意图

电机电磁力振动噪音分析，一般的流程需要考虑电磁、结构和声学，海基科技提供的解决方案，可以实现电磁直接到声学的过程。Mag Acoustics可以实现从电磁软件Infolytica直接到声学软件Actran的数据传递，节省了电磁到结构的数据处理时间。

3. 电机电磁噪声案例演示

本文以某电机为例对其电磁振动噪声问题的预测进行说明，电磁力输出后可以经过电磁噪声接口软件数据转换，然后可以作为声学软件Actran的输入，随后进行振动噪声的计算。

      

图3-1电机定子分析对象

计算完成后，可以查看声压响应云图、声压频谱曲线以及振动响应云图，如下图所示。

         

图3-2 电机外部声场分布云图（1000Hz）

        

图3-3 电机监测点声压频谱曲线        图3-4 电机壳体位移云图（1000Hz）

海基科技目前与国内众多厂家进行了电机噪声项目的合作（如一汽大众新能源汽车），并取得了非常好的降噪效果，获得客户良好的口碑。