電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)等電力設(shè)備的噪聲起因很多，有電磁振動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲及流致噪聲等等，本文通過ANSYS公司的官方案例為操作背景，詳細(xì)介紹如何將作用在定子上的瞬態(tài)電磁力作為結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析的載荷計(jì)算振動(dòng)噪聲。

1.電磁模型建立與分析

如圖1所示為一個(gè)電機(jī)模型，電機(jī)的額定輸出功率為550W，額定電壓為220V，極對(duì)數(shù)為4，定子齒數(shù)為24個(gè)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為1500rpm，求電磁振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲大小。

本算例使用的模塊如下：

RMxprt模塊：建立電機(jī)類型；

Maxwell模塊：2D瞬態(tài)電磁場(chǎng)計(jì)算；

Structural 模塊：3D諧響應(yīng)分析計(jì)算；

Acoustics ACT模塊：噪聲計(jì)算

注：Acoustics ACT模塊需要單獨(dú)安裝，請(qǐng)用戶到官方網(wǎng)站上自行下載。

圖1 電機(jī)模型

電機(jī)的電路模型如圖2所示。

圖2 電機(jī)電路模型

1）啟動(dòng)Workbench。在Windows XP下單擊“開始”→“所有程序”→ANSYS15→Workbench15命令，即可進(jìn)入Workbench主界面。

2）保存工程文檔。進(jìn)入Workbench后，單擊工具欄中的按鈕，將文件保存為“zhendongzaosheng.wbpj”，單擊Getting Started窗口右上角的（關(guān)閉）按鈕將其關(guān)閉。

3）雙擊Toolbox→Analysis System→RMxprt模塊建立項(xiàng)目A，如圖3所示。

4）雙擊項(xiàng)目A中的A1欄進(jìn)如RMxprt電機(jī)設(shè)置平臺(tái)，如圖4所示。

圖3  RMxprt模塊     圖4 RMxprt平臺(tái)

5）依次選擇菜單RMxprt→Machine Type，在彈出的電機(jī)類型選擇對(duì)話框中單擊Generic Rotating Machine選項(xiàng)，單擊OK按鈕，如圖5所示。

6）單擊Project Manager→RMxprt→Machine選項(xiàng)，在下面出現(xiàn)屬性設(shè)置對(duì)話框中作如下設(shè)置：

在Source Type欄中選擇AC選項(xiàng)；

在Structure欄中選擇Inner Rotor選項(xiàng)；

在Stator Type欄中選擇SLOT_AC選項(xiàng)；

在Rotor Type欄中選擇PM_INTERIOR選項(xiàng)，如圖6所示。

圖5 RMxprt模塊       圖6  RMxprt平臺(tái)

7）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Stator選項(xiàng)，在下面出現(xiàn)屬性設(shè)置對(duì)話框中作如下設(shè)置：

在Number of Poles欄中輸入4；

在Number of Slots欄中輸入24；

在Slot Type欄中單擊1按鈕，此時(shí)彈出Select Slot Type對(duì)話框；

在對(duì)話框中單擊2按鈕，并單擊OK按鈕，如圖7所示，此時(shí)Slot Type欄中的按鈕將顯示為2。

8）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Stator→Core→Slot選項(xiàng)，在下面出現(xiàn)屬性設(shè)置對(duì)話框中作如下設(shè)置：

取消Auto Design選項(xiàng)；

在Hs0欄中輸入0.5，單位保持默認(rèn)即可；

在Hs1欄中輸入1；

在Hs2欄中輸入8.2；

在Bs0欄中輸入2.5；

在Bs1欄中輸入5.6；

在Bs2欄中輸入7.8，如圖8所示。

圖7 Stator設(shè)置    圖8 Slot設(shè)置

9）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Stator→Core選項(xiàng)，在下面出現(xiàn)屬性設(shè)置對(duì)話框中作如下設(shè)置：

在Outer Diameter欄中輸入120，單位保持默認(rèn)即可；

在Inner Diameter欄中輸入75；

在Length欄中輸入65；

在Stacking Factor欄中輸入0.95；

在Steel Type欄中單擊按鈕；

在材料選擇對(duì)話框中選擇M19_24G_2DSF0.950材料單擊確定按鈕，如圖9所示。

圖9 Core設(shè)置

10）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Stator→Winding選項(xiàng)，在下面出現(xiàn)屬性設(shè)置對(duì)話框中作如下設(shè)置：

在Winding Layers欄中輸入2；

在Winding Type欄中選擇Whole-Coiled選項(xiàng)；

在Parallel欄中輸入1；

在Conductor Per欄中輸入52；

在Coil Pitch欄中輸入5；

在Number of Strands欄中輸入1；

在Wire Size欄中選擇Diameter設(shè)置導(dǎo)線尺寸。

在Conductor Type中單擊按鈕選擇Copper材料單擊確定按鈕，如圖10所示。

切換到End/Insulation選項(xiàng)卡中，取消Input Half-turn length選項(xiàng)；

在Correction中輸入1；

在Slot Liner欄中輸入0；

在Layer Insulation欄中輸入0；

在Limited Fill Factor欄中輸入0.75；

圖10 Winding設(shè)置

11）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Rotor選項(xiàng)，在下面出現(xiàn)屬性設(shè)置對(duì)話框中作如下設(shè)置：

在Number欄中輸入4，如圖11所示；

12）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Rotor→Core選項(xiàng)，在下面出現(xiàn)屬性設(shè)置對(duì)話框中作如下設(shè)置：

在Outer Diameter欄中輸入74；

在Inner Diameter欄中輸入26；

在Length欄中輸入65；

在Stacking Factor欄中輸入0.95；

在Steel Type欄中選擇M9-24G材料，如圖12所示；

在Pole Type欄中選擇3。

圖11 Rotor設(shè)置     圖12 Core設(shè)置

13）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Rotor→Core→Pole選項(xiàng)，在下面出現(xiàn)屬性設(shè)置對(duì)話框中作如下設(shè)置：

在D1欄中輸入73；

在O1欄中輸入1；

在O2欄中輸入6；

在B1欄中輸入3；

在Rib欄中輸入12；

在HRib欄中輸入4；

在Layers欄中輸入1；

在Magnet Thickness欄中輸入3.75；

在Magnet Width欄中輸入36.835；

在Magnet Type欄中選擇XG196/96材料，如圖13所示。

14）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Rotor→Shaft選項(xiàng)，在繪圖區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)轉(zhuǎn)子定子模型，在下面出現(xiàn)屬性設(shè)置對(duì)話框中作如下設(shè)置：

在Frictional Loss欄中輸入12；

在Reference Speed欄中輸入1500，如圖14所示。

圖13  Pole設(shè)置   圖14 Shaft設(shè)置

15）選擇菜單RMxprt→Analysis Setup→Add Solution Setup子菜單，在出現(xiàn)的Properties對(duì)話框中作如下設(shè)置：

選擇Enabled選項(xiàng)；

在Operation欄中選擇Motor選項(xiàng)；

在Load Type欄中選擇Const Torque選項(xiàng)；

在Rated Output欄中輸入550；

在Rated Voltage欄中輸入220；

在Rated Speed欄中輸入1500；

在Operating欄中輸入75，單擊確定按鈕，如圖15所示。

16）選擇菜單RMxprt→Design Settings子菜單，在出現(xiàn)的RMxprtDesign Settings對(duì)話框中作如下設(shè)置：

選擇Enabled選項(xiàng)，單擊確定按鈕，如圖16所示。

注：Maxwell程序的缺省設(shè)置為使用最小幾何數(shù)據(jù)格式，此處設(shè)置為到處全模型的數(shù)據(jù)。

圖15 求解器設(shè)置   圖16 RMxprt設(shè)置

17）選擇菜單RMxprt→Analysis All子菜單，進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)計(jì)算結(jié)束后，通過RMxprt→Analysis Setup→Create Maxwell Design子菜單將RMxprt模型導(dǎo)出到Maxwell中，此時(shí)將啟動(dòng)腳本語言進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，傳遞完成后如圖17所示。

圖17 數(shù)據(jù)傳遞

18）選擇菜單RMxprt→Analysis All子菜單，進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)計(jì)算結(jié)束后，通過RMxprt→Analysis Setup→Create Maxwell Design子菜單將RMxprt模型導(dǎo)出到Maxwell中，此時(shí)將啟動(dòng)腳本語言進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

19）右鍵選擇Stator，在彈出的快捷菜單中依次選擇Edit→Delete命令，將Stator幾何刪除，如圖18所示。

20）依次選擇菜單Modeler→Import子菜單，在彈出的如圖19所示對(duì)話框選擇文件名為assm_LumpedForceMapping_stator.dxf的幾何文件。

圖18 刪除幾何      圖19 導(dǎo)入幾何

21）選擇導(dǎo)入幾何中的面積最大的幾何體，按住鍵盤上的Ctrl鍵，選擇所有導(dǎo)入的幾何體，依次選擇菜單中的Modeler→Boolean→Subtract命令，此時(shí)幾何實(shí)體如圖20所示。

22）選中剛操作完的幾何實(shí)體，將其材料屬性設(shè)置為M19_24G_2DSF0.950。

23）將其名字命名為Stator1。

24）依次選擇菜單Draw→Circle命令創(chuàng)建如圖21所示的幾何，圓的原點(diǎn)為（0，0，0），半徑為39.54mm。

圖20 幾何實(shí)體               圖21 創(chuàng)建圓

25）選中Stator1和Circle1兩個(gè)幾何，單擊工具欄中的復(fù)制/粘貼命令，此時(shí)將出現(xiàn)另外兩個(gè)幾何Stator2和Circle2。

26）選中Stator1然后再選中Circle1，依次選擇菜單中的Modeler→Boolean→Subtract命令。

27）選中Stator2然后再選中Circle2，依次選擇菜單中的Modeler→Boolean→Intersect命令。

28）將操作后剩下的幾何命名為ToothTips。

29）選中ToothTips幾何，依次選擇菜單中的Modeler→Boolean→Separate命令，將幾何進(jìn)行分割如圖22所示。

圖22 模型分割

30）雙擊OuterRegion→CteateUserDefinedPart命令，在彈出的如圖23所示對(duì)話中的DiaYoke欄中將120更改為140，并單擊確定按鈕。

圖23 求解區(qū)域

31）選擇Rotor幾何，依次選擇菜單中的Maxwell2D→MeshOperations→Assign→On Selection→Length Based命令，并將其命名為Length_Rotor，設(shè)置最大單元長度為0.5mm，單擊確定按鈕。

32）選擇Stator1幾何，依次選擇菜單中的Maxwell2D→MeshOperations→Assign→On Selection→Length Based命令，并將其命名為Length_Stator，設(shè)置最大單元長度為4mm，單擊確定按鈕。

33）選擇所有ToothTips幾何，依次選擇菜單中的Maxwell2D→MeshOperations→Assign→On Selection→Length Based命令，并將其命名為Length_ToothTips，設(shè)置最大單元長度為0.25mm，單擊確定按鈕。

34）選擇Rotor幾何外邊界線，依次選擇菜單中的Maxwell2D→MeshOperations→Assign→Surface Approximation命令，并將其命名為SurfApprox_Rotor，設(shè)置最大曲面分割長度為0.001mm，單擊確定按鈕。

35）選擇所有ToothTips幾何，依次選擇菜單中的Maxwell2D→MeshOperations→Assign→Surface Approximation命令，并將其命名為SurfApprox_ToothTips，設(shè)置最大曲面分割長度為0.001mm，單擊確定按鈕。

通過以上操作后，網(wǎng)格設(shè)置將如圖24所示。

圖24 網(wǎng)格設(shè)置

36）雙擊Analysis→Setup1，在彈出的如圖25所示的對(duì)話框中作如下設(shè)置：

在General選項(xiàng)卡中的Stop time欄中輸入0.04；

在Time step欄中輸入0.002，單擊確定按鈕。

37）依次選擇菜單Maxwell2D→Excitations→External Circuit→Set Minimum Time Step命令，在彈出的如圖26所示的對(duì)話框中作如下設(shè)置：

將Minimum Time Step欄中的數(shù)值改為0，單擊OK按鈕。

 圖25 設(shè)置求解器類型        圖26 初始值

38）開啟諧響應(yīng)力學(xué)計(jì)算命令。依次選擇菜單Maxwell2D→Enable Harmonic ForceCalculation命令，在彈出的如圖27所示的對(duì)話框中勾選所有ToothTips幾何。

圖27  電磁力耦合

39）求解計(jì)算。右鍵單擊Project Manager中的Analysis→Setup1命令，在彈出的快捷菜單中選擇如圖28所示的Analyze命令，進(jìn)行求解計(jì)算，求解需要一定的時(shí)間。

 圖28 求解模型

40）在Results選項(xiàng)卡中單擊右鍵，如圖29所示，依次選擇Create Transient Report→Rectangle Plot，在彈出的對(duì)話框的Category中選擇Winding，在Quantity欄中選擇三個(gè)Current，并單擊New Report按鈕。

圖29 后處理

41）顯示三項(xiàng)電流變化曲線圖如圖30所示。

圖30 電流變化圖

42）如圖31所示為不同時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩圖。

圖31 轉(zhuǎn)矩圖

43）關(guān)閉Maxwell平臺(tái)，回到Workbench平臺(tái)。

2.結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析環(huán)境

1）如圖32所示諧響應(yīng)分析模塊。

圖32 創(chuàng)建電磁分析環(huán)境

2）安裝ACT噪聲計(jì)算模塊。依次選擇菜單Extensions→InstallExtension命令，在彈出的如圖33所示打開對(duì)話框中選擇ACT_Acoustics_R150_V40.wbex文件。

圖33 添加分析模塊

3）依次選擇Extensions→Manage Extensions命令，在彈出的如圖34所示Manage Extensions對(duì)話框中選中ExtAcoustics選項(xiàng)，單擊Close按鈕。

圖34 載入分析模塊

4）右鍵選擇項(xiàng)目B中的B3（Geometry），在彈出的如圖35所示快捷菜單中導(dǎo)入3DStator.agdb格式的文件。

5）單擊A4欄不放手直接拖拽到B5欄中，如圖35所示。

6）右鍵選擇A4欄，在彈出的如圖36所示的快捷菜單中選擇Update命令。

圖35 數(shù)據(jù)傳遞          圖36 更新數(shù)據(jù)

7）雙擊B3進(jìn)入到幾何建模平臺(tái)——DM平臺(tái)中。

選擇所有內(nèi)側(cè)面（共計(jì)48個(gè)）然后創(chuàng)建Named Selection并命名為ToothTips，如圖37所示。

圖37 創(chuàng)建命名

8）雙擊B4進(jìn)入到Mechanical平臺(tái)中。

9）在Project→Model（B4）→Mesh命令上單擊右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇GenerateMesh命令，如圖38所示。

10）如圖39所示為劃分完成后的網(wǎng)格模型。

圖38 網(wǎng)格設(shè)置        圖39 網(wǎng)格模型

本算例將網(wǎng)格劃分較粗糙，實(shí)際工程中需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，本算例只在演示網(wǎng)格劃分過程。

11）設(shè)置計(jì)算參數(shù)。如圖40所示，在。Analysis Settings中做如下設(shè)置：

在Range Minimum欄中輸入0Hz；

在Range Maximum欄中輸入2500Hz；

在Solution Intervals欄中輸入25；

在Solution Method欄中選擇Full選項(xiàng)；

在Stress欄中選擇Yes選項(xiàng)；

在Strain欄中選擇Yes選項(xiàng)；

在Calculate Reaction欄中選擇Yes選項(xiàng)；

在Save MAPDL db欄中選擇Yes選項(xiàng)。

12）如圖41所示，添加Insert→FixedSupport命令，在Scoping Method欄中選擇Named Selection選項(xiàng)，在NamedSelection欄中選擇Bolts選項(xiàng)。

圖40 分析設(shè)置   圖41 邊界條件

13）創(chuàng)建坐標(biāo)系，在如圖42所示的設(shè)置窗口中進(jìn)行如下設(shè)置：

在Type欄中選擇Cylindrical選項(xiàng)，創(chuàng)建圓柱坐標(biāo)系；

在Origin X和Origin Y欄中輸入0；

在Orinin Z中輸入1.5e-002；

在Axis欄中選擇X；

在Define By欄中選擇Global X Axis選項(xiàng)；

在下面的Axis欄中選擇Y，其余默認(rèn)即可。

圖42 設(shè)置坐標(biāo)系

14）如圖43所示，右鍵選擇Imported RemoteLoads命令，在彈出的快捷菜單中選擇GenerateRemote Loads命令，經(jīng)過一段時(shí)間計(jì)算，映射完后的力如圖44所示，并將所有轉(zhuǎn)矩載荷抑制掉。

圖43 導(dǎo)入載荷     圖44 力圖

15）求解計(jì)算。在Transient（B6）中的Solve命令上單擊右鍵，在快捷菜單中選擇Solve命令進(jìn)行求解計(jì)算。

16）位移云圖。右鍵單擊Solution命令，在彈出的快捷菜單中選擇Insert→Deformation→Total命令，添加位移云圖，然后執(zhí)行計(jì)算即可得到如圖45所示的位移響應(yīng)云圖。

17）應(yīng)力云圖。同樣方式可以得到應(yīng)力分布云圖，如圖46所示。

圖45 位移云圖            圖46 應(yīng)力云圖

18）諧響應(yīng)曲線如圖47所示。

圖47 諧響應(yīng)圖

19）相角曲線顯示如圖48所示。

    圖48 相角曲線圖

20）各個(gè)頻率柱狀圖與數(shù)值，如圖49所示。

圖49 柱狀圖

3.噪聲分析環(huán)境

1）右鍵選擇B1，在彈出的菜單中選擇復(fù)制命令，此時(shí)將創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目C，將項(xiàng)目C命名為Acoustic，并刪除連接線，如圖50所示。

圖50 復(fù)制項(xiàng)目

2）將項(xiàng)目B中的B6直接拖拽到項(xiàng)目C中的C5中，如圖51所示。

圖51 數(shù)據(jù)傳遞

3）右鍵單擊C3導(dǎo)入幾何文件名為Geom.stp的幾何，雙擊C3中進(jìn)入DM平臺(tái)，如圖52所示，外表面命名為outer，內(nèi)表面命名為extsurf，并將兩個(gè)幾何From newpart形成一個(gè)組件。

圖52 導(dǎo)入幾何

4）關(guān)閉DM平臺(tái)，回到Workbench平臺(tái)，雙擊C4進(jìn)入Mechanical平臺(tái)。

5）單擊Mesh，添加一個(gè)Patch ConformingMethod命令，在如圖53所示的窗口中進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置：

在Geometry欄中選擇兩個(gè)幾何實(shí)體，此時(shí)在Geometry欄中將顯示2Bodies；

在Method欄中選擇Tetrahedrons選項(xiàng)。

6）單擊Mesh，添加一個(gè)Body Sizing命令，在如圖54所示的窗口中進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置：

在Geometry欄中選擇兩個(gè)幾何實(shí)體，此時(shí)在Geometry欄中將顯示2Bodies；

在Type欄中選擇Element Size選項(xiàng)；

在Element Size欄中輸入4.e-002m。

圖53 網(wǎng)格類型      圖54 網(wǎng)格尺寸

7）置計(jì)算參數(shù)。如圖55所示，在Analysis Settings中做如下設(shè)置：

在Range Minimum欄中輸入0Hz；

在Range Maximum欄中輸入2500Hz；

在Solution Intervals欄中輸入25；

在Solution Method欄中選擇Full選項(xiàng)；

在Stress欄中選擇Yes選項(xiàng)；

在Strain欄中選擇Yes選項(xiàng)；

在Calculate Reaction欄中選擇Yes選項(xiàng)；

在Save MAPDL db欄中選擇Yes選項(xiàng)。

8）噪聲體設(shè)置。如圖56所示，工具欄中單擊Acoustic Body命令，在彈出的窗口中做如下設(shè)置：

在Geometry欄中選擇兩個(gè)幾何實(shí)體，此時(shí)在Geometry欄中將顯示2Bodies；

在Mass Density欄中輸入1.0241；

在Sound欄中輸入343.24。

圖55 分析設(shè)置     圖56 噪聲體設(shè)置

9）如圖57所示，在extsurf流固耦合表面導(dǎo)入速度邊界條件，在Source Bodies中選擇All選項(xiàng)。

圖57 速度邊界

10）如圖58所示，在outer表面設(shè)置為輻射表面。

圖58 輻射邊界

11）經(jīng)過有限元計(jì)算后如圖59所示為0度相角的聲壓壓強(qiáng)分布。

12）如圖60所示為0度相角的聲壓級(jí)分布。

圖59 聲壓       圖60 聲壓級(jí)

13）示通過修改計(jì)算因子得到A記權(quán)的聲壓級(jí)如圖61所示。

圖61  A記權(quán)聲壓級(jí)

4.結(jié)論

本操作案例僅介紹了如何在ANSYS Workbench平臺(tái)上，通過Maxwell電磁模塊與Mechanical模塊進(jìn)行電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)噪聲仿真的操作流程，對(duì)電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)需要充分考慮電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

文章來源：西莫電機(jī)論壇