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    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。