权艳娜 南悦 郭炳岐
摘 要：噪声由发声体做不规则的振动产生，会影响人的正常工作、休息。电磁噪声作为电机的主要噪声源，需要对其进行分析和控制。电磁噪声主要是气隙磁场引起的电磁激振力，引起电机铁芯振动，最终通过电机外壳辐射到电机周围的区域内。因此，如何有效控制噪声一直都是电机研制过程之中必须要注意的问题。电磁噪声分析过程中涉及电磁场分析、谐振分析、声场分析，该文运用Ansys Workbench强大的多物理域耦合分析能力，为直流无刷电机电磁噪声分析提供了一种解决方案。
关键词：电磁噪声 振动 多物理域
中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（a）-0137-02
电机气隙磁场引起的电机定子齿部的电磁激振力作用于电机结构会引起电机振动，形成声波辐射[1]。结构振动声辐射问题的分析方法主要有解析法和数值法两大类。Ansys Workbench作为一款通用的有限元的分析软件，在电机仿真领域得到了很好的应用。新版的Ansys Workbench软件已具有电磁分析、谐振分析和噪声分析模块，在Ansys Workbench中进行多物理域的联合仿真，可以解决复杂结构的电磁噪声仿真分析[2]。
1 铁芯电磁力分析
1.1 电机模型简化
以某16p24s永磁直流电机为例，利用Ansys Workbench仿真平台进行声辐射仿真分析，在Ansoft Maxwell的Rmprt中建立电机模型，为了实现电磁力的计算，将Rmprt中的模型导入2D下进行分析。
1.2 电磁力分析
对于直流无刷电机而言，引起电磁噪声的主要是作用在定子齿上的力，包括径向和切向的电磁力。为了更准确地进行电磁耦合力的仿真，需要对Maxwell 2D下模型进行调整。
（1）通过Boolean操作将定子铁芯上的齿顶与齿中部和轭部分离，行成独立的18个齿顶，见图1。
（2）对18个齿顶进行网格加密，设置划分网格的最大长度为0.5 mm，曲面逼近的误差为0.03 mm。
（3）设置仿真时间为两个电周期，每个周期内至少有100步。
（4）激活瞬态电磁场与谐响应耦合分析的简谐耦合力计算选项。
1.3 电磁力分析结果
这里将Maxwell 2D下计算得到的定子齿上的电磁力作为激励源，耦合到ANSYS Workbench中进行频域的谐响应分析（见图2）。
2 谐响应分析
在AnsysWorkbench中导入Maxwell 2D模型，添加谐响应分析模块Harmonic Response，并将Maxwell 2D的仿真结果导入Harmonic Response，实现电磁力到谐响应分析的连接。
在Harmonic Response模块内进行如下设置：
（1）导入的Harmonic Response中得到的电磁力。
（2）选择“One Way Coupling Analysis”选项，选取定子铁芯外表面作为声固耦合的界面，并通过该界面將存储的位移、速度和加速度等响应载荷耦合到声体中（见图3）。
谐响应分析得到定子铁芯外表面的位移、速度和加速度等响应载荷，这些载荷作为激励源，耦合到Acoustics声学计算模块中进行声学计算。电机在电磁激振力下的最大幅值为2.46～5 mm，发生在电机齿尖位置，如图4所示。
3 声学分析
创建声学计算模块Acoustics，整个噪声分析的模型如图5所示。
噪声传播介质为空气，主要考虑定子表面以外的区域的噪声分布[3]。在AnsysWorbench内置的模型设计中绘制声学区域的模型仅进行相关设置。该模型的设置如下。
（1）声体与定子的长度相同，外径长达1 m。
（2）网格划分：从中心辐射向外由密到疏。
（3）设置声体空气的密度和流速如下：Mass Density= 1.2041 kg/m3，Sound Speed=343.24 m/s。
设置声体内表面作为声固耦合的界面，并通过该界面将谐响应分析得到的位移速度和加速度等响应载荷耦合到声体中。
（4）设置声体的外表面作为声固耦合的边界。
通过Acoustics声学计算，可以得到了各频率下电机定子外空气场的声强、声压。最大频率下的声强、声压如图6所示，电机最大声压为0.003 Pa，最大声强为46 dB。
4 结语
文章将Maxwell 2D与Ansys Workbench结合，利用Ansys Workbench强大的电磁、振动、噪声场耦合分析功能，通过以下的步骤，完成了一款直流无刷电机的噪声分析。
（1）通过Maxwell 2D下的电磁场仿真得到定子齿上的电磁力。
（2）将模型导入Ansys Workbench中，并耦合至Harmonic Response模块中，得到定子外表面部位的位移、速度、加速度等谐响应结果。
（3）通过声耦合分析，将定子外表面的谐响应分析结果导入Acoustics声学计算模块中，进行声学分析，得到了各频率电机定子外空气区域的声强、声压。
参考文献
[1]崔淑梅，于天达，宋立伟.基于ANSYS和SYSNOISE的电机噪声仿真分析方法[J].电机与控制学报，2011，15（9）： 63-67.
[2]张艺华.车用交流发电机电磁振动噪声特性及影响因素研究[D].西南交通大学，2015.
[3]马琮淦，左曙光，孙庆，等.考虑时间谐波电流的永磁同步电机电磁噪声阶次特征分析[J].振动与冲击，2014（15）： 108-113，125.
