電機模態分析的案例
新能源汽車用電機模態有限元分析
圖1 定子鐵芯及繞組有限元模型
圖2 整機有限元模型
2.3 殼體建模
由于殼體及端蓋上加強筋結構對整機模態貢獻較大，模態分析時不能忽略，需建立完整的模型。同時為了簡化計算，忽略殼體及端蓋上對整機模態影響較小的倒角、圓角等細小特征。本文在分析整機模態時考慮定子與機殼過盈量。建立整機有限元模型見圖2，表2為模態分析有限元仿真參數。
表2 模態分析有限元仿真參數
圖3 整機狀態下定子模態分析結果
3 仿真結果分析
整機自由模態振型主要包含端蓋模態、機殼模態、電機轉子模態及定子模態。其中定子低階徑向振動模態易被電磁力激勵激起引起電磁振動噪聲。整機狀態下分析計算定子二階同相位模態頻率588HZ 、三階同相位模態頻率1523HZ、四階同相位模態頻率2760HZ，圖3為各階模態振型。
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表2 模態分析有限元仿真參數
圖3 整機狀態下定子模態分析結果
3 仿真結果分析
整機自由模態振型主要包含端蓋模態、機殼模態、電機轉子模態及定子模態。其中定子低階徑向振動模態易被電磁力激勵激起引起電磁振動噪聲。整機狀態下分析計算定子二階同相位模態頻率588HZ 、三階同相位模態頻率1523HZ、四階同相位模態頻率2760HZ，圖3為各階模態振型。
4 試驗模態
采用LMS SCADS 信號采集與分析系統對樣機進行模態試驗。將樣機置于彈性塑料墊上，在樣機中部周向布置36個激振點，采用錘擊法進行測試。為確保測試信號的可靠性，減小測試過程中的敲擊誤差及信號干擾，對同一測試點多次敲擊并對產生的信號取平均。圖4為試驗模態振型圖。表3為仿真與實測結果比較。
通過表三可以看出仿真與試驗結果偏差在5%以內，說明仿真與實測結果基本吻合，具有較高的置信度。
表3 仿真與試驗比較
圖4 試驗模態振型圖
5 結論
本文以新能源汽車用驅動電機為研究對象，通過對定子鐵芯材料等效計算及電機結構簡化，進行整機自由模態有限元分析。經對比仿真與整機模態試驗結果得出以下結論：
1.將鐵芯疊片結構視為橫觀各向同性材料并通過有限元方法計算材料參數，為準確分析電機模態特性及NVH性能預測奠定基礎。
2.整機定子系統仿真與模態試驗結果偏差在5%以內，驗證了本文提出模型簡化等效方法的合理性及仿真的準確性。
作者：張鎮 薛勇丨廣州汽車集團
文章來源：EDC電驅未來
免責聲明：本文系網絡轉載，版權歸原作者所有。如涉及版權，請聯系刪除！
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圖1 定子鐵芯及繞組有限元模型
圖2 整機有限元模型
2.3 殼體建模
由于殼體及端蓋上加強筋結構對整機模態貢獻較大，模態分析時不能忽略，需建立完整的模型。同時為了簡化計算，忽略殼體及端蓋上對整機模態影響較小的倒角、圓角等細小特征。本文在分析整機模態時考慮定子與機殼過盈量。建立整機有限元模型見圖2，表2為模態分析有限元仿真參數。
表2 模態分析有限元仿真參數
圖3 整機狀態下定子模態分析結果
3 仿真結果分析
整機自由模態振型主要包含端蓋模態、機殼模態、電機轉子模態及定子模態。其中定子低階徑向振動模態易被電磁力激勵激起引起電磁振動噪聲。
展開 車用永磁同步電機的電磁噪聲分析與抑制
摘要
：電機模態的準確分析是實現電機低噪聲驅動設計的重要環節。當電機模態頻率與對應階次徑向電磁力波頻率接近時，會產生共振。以一臺6極36槽的70 kW商務車主驅動永磁同步電機(PMSM)為研究對象,對比分析轉子開輔助槽和針對一階齒諧波的轉子分段斜極方法對電磁力波的影響。采用轉子開輔助槽和轉子分段斜極的優化方法后,0階12倍頻徑向電磁力波幅值可減小79%。建立電機三維有限元模態仿真模型，分析電機結構部件對模態的影響，結合常用車載驅動電機的安裝固定方式對外殼進行約束,分析不同約束方式下電機的模態特性。結果表明，在峰值功率8 000 r/min的工況下，優化設計方案下的0階12倍頻的徑向電磁力波幅值較大,但由于頻率為4 800 Hz,遠離電機模態的固有頻率，因此不會發生共振，降低了電磁噪聲。
關鍵詞
：電磁力波;模態;輔助槽;斜極;永磁同步電機
0引言
電機的結構噪聲是電機結構受到激振源激勵而產生的，主要來源有機械振動和電磁振動⑴。機械振動由軸承摩擦或轉子不平衡等因素引起， 可以通過采用低噪聲軸承、提高加工工藝和裝配精度等措施來改善；電磁振動由作用于定子結構上的電磁力波引起，是引起車用永磁同步電機(PMSM)噪聲的重要因素。
19世紀20年代初,Fritze首次提出電機電磁噪聲主要由定、轉子之間的徑向電磁力產生⑵。文獻［3］是較早分析PMSM電磁噪聲激振源的文章，將激振源歸為轉矩波動和定、轉子之間的徑向電磁力波,發現電機振動噪聲的頻率特征與上述激振源的頻率特征有很強的關聯性。文獻［4］全面闡述了車用電機振動與噪聲的產生機理，從理論層面深入分析電機電磁噪聲的來源,揭示了電磁噪聲和電機結構參數以及控制參數之間的關系。
展開 
電機轉子臨界轉速的計算程序（模態分析）
1，29為兩個端點，為軸承處
D,1,UY
D,1,UZ
D,29,UX
D,29,UY
D,29,UZ
以下采用gui操作，模態擴展為四階
ansys計算結果和理論計算誤差為0.33%
沒有考慮陀螺效應，不知道對不對，請高手指點。
基于ABAQUS的某水力電機轉子模態分析（SOP）
模型后處理與結果判讀
進入Visualzaiton模塊后，抓取固有頻率在120Hz以內的固有頻率和模態圖。
（1）分析結果（在本SOP中只選擇性地隨機抓取幾個能做以示例即可）：
···
（2）模型后處理操作方法：
超高速永磁同步電機振動噪聲分析
2 電機模態分析
對于電機定子而言，除了頻率接近或相同之外，還需要考慮電磁力波的波形也需要與定子某一階模態振型相近或相同。即當徑向電磁力波某一階次與定子空間模態振型相同，且電磁力波的頻率與定子這一階模態頻率接近或相等時，定子會發生共振，故電磁力波需要從振型和頻率上與電機定子的模態階次避開，以減少電機定子系統產生的電磁噪聲。因此，研究高速電機定子模態具有重要的意義。
圖4為笛卡爾坐標系下電機定子0階、2階、3階、4階、5階、6階模態，頻率分別為20 948、6 006.6、13 648、18 135、19 505、19 804 Hz，結果表明4階以上模態頻率較高，不易使定子振動，2階模態頻率較低，且徑向力波存在多個頻率的分量，當徑向力波頻率接近模態頻率時可能共振產生較大噪聲，另外需要關注0階呼吸模態，頻率較高但階數低，較小的力波共振也會引起較大電機噪聲。
展開 【8月8-11日 杭州】電機磁場、熱、振動、噪聲仿真高級設計仿真研修班
UDO輸出使用
案例演示及練習-1：永磁同步電機分析
A.空載分析(反電動勢、鐵損耗、磁場等分析)
B.穩態及起動負載分析（額定轉矩、波動大小、磁場分析、Br及FFT分析等分析）
案例演示及練習-2：三相異步電機分析
A.空載分析(反電動勢、鐵損耗等分析)
B.穩態及起動負載分析（額定轉矩、波動大小、磁場分析、Br及FFT分析等分析）
WB平臺電機相關模塊
清楚電機分析模塊使用及特點
1、WB平臺及功能概述
1.1功能簡介 1.2電機多場分析相關模塊
2、DM及SCDM模塊電機建模處理
2.1Maxwell模塊電機電磁分析連接
2.2電機熱場和結構場連接
3.WB電機結構分析
3.1電機固有頻率計算（模態）
3.2電機振動計算（諧響應）
3.3 電機噪聲計算（聲場）
4.Mesh模塊電機結構分析網格
4.1電機熱分析剖分特點 4.2電機振動分析剖分特點
4.3電機噪聲分析剖分特點
5.電機熱計算相關分析支持
5.1電機傳熱方式 5.2電機穩態及瞬態熱分析
5.3 流體模塊分析
6.相關模塊案例演示
6.1DM及SCDM建模與Maxwell動態鏈接
6.2電機定子模態分析
6.3電機定子諧響應分析
6.4電機網格剖分
6.5電機熱場分析
WB模態分析
掌握電機模態分析過程
1、電機模型處理 2、電機材料添加
3、電機模型網格處理 4、約束及載荷施加
5、求解設置 6、結果查看分析
案例演示及練習-1：直流無刷電機模態分析
流體軟件與Maxwell耦合
分析電機
溫度場
掌握電機電磁-熱耦合分析過程
展開 電機NVH結構仿真 | 硅鋼片層疊效應對電機模態的影響
各向同性本構
模態分析結果
導入某款電機的硅鋼片定子模型，進行自由模態分析，結果如下：
總結和建議
考慮層疊效應對定子模態頻率有影響，對模態振型一般無影響。
層疊效應對層疊方向的模態頻率影響較大，對其它兩個方向影響較小。
進行層疊結構模態分析時，采用橫觀各向同性本構模型更準確。
對層疊結構采用各向同性本構，模態分析結果也具有一定參考價值。
建議：在定子振動分析中，如果要簡化分析，可以使用各向同性材料，徑向模態有參考價值，軸向模態可能誤差較大。如果對橫觀各向同性材料各參數有把握，也可以使用橫觀各向同性材料，一般來說，此時徑向和軸向模態都具有參考價值。
展開 電機NVH結構仿真 | 硅鋼片層疊效應對電機模態的影響
各向同性本構
模態分析結果
導入某款電機的硅鋼片定子模型，進行自由模態分析，結果如下：
總結和建議
考慮層疊效應對定子模態頻率有影響，對模態振型一般無影響。
層疊效應對層疊方向的模態頻率影響較大，對其它兩個方向影響較小。
進行層疊結構模態分析時，采用橫觀各向同性本構模型更準確。
對層疊結構采用各向同性本構，模態分析結果也具有一定參考價值。
建議：在定子振動分析中，如果要簡化分析，可以使用各向同性材料，徑向模態有參考價值，軸向模態可能誤差較大。如果對橫觀各向同性材料各參數有把握，也可以使用橫觀各向同性材料，一般來說，此時徑向和軸向模態都具有參考價值。
展開 新能源汽車「心臟」-電機的有限元分析（文末有資料）
表2 模態分析有限元仿真參數
圖3 整機狀態下定子模態分析結果
2 仿真結果分析
整機自由模態振型主要包含端蓋模態、機殼模態、電機轉子模態及定子模態。其中定子低階徑向振動模態易被電磁力激勵激起引起電磁振動噪聲。整機狀態下分析計算定子二階同相位模態頻率588HZ 、三階同相位模態頻率1523HZ、四階同相位模態頻率2760HZ，圖3為各階模態振型。
3 試驗模態
采用LMS SCADS 信號采集與分析系統對樣機進行模態試驗。將樣機置于彈性塑料墊上，在樣機中部周向布置36個激振點，采用錘擊法進行測試。為確保測試信號的可靠性，減小測試過程中的敲擊誤差及信號干擾，對同一測試點多次敲擊并對產生的信號取平均。圖4為試驗模態振型圖。表3為仿真與實測結果比較。
通過表三可以看出仿真與試驗結果偏差在5%以內，說明仿真與實測結果基本吻合，具有較高的置信度。
表3 仿真與試驗比較
圖4 試驗模態振型圖
4 結論
本文以新能源汽車用驅動電機為研究對象，通過對定子鐵芯材料等效計算及電機結構簡化，進行整機自由模態有限元分析。經對比仿真與整機模態試驗結果得出以下結論：
1.將鐵芯疊片結構視為橫觀各向同性材料并通過有限元方法計算材料參數，為準確分析電機模態特性及NVH性能預測奠定基礎。
2.整機定子系統仿真與模態試驗結果偏差在5%以內，驗證了本文提出模型簡化等效方法的合理性及仿真的準確性。
展開 
模態分析定義以及模態假設理論 附模態分析理論與應用傅志方下載
下載地址：模態分析理論與應用傅志方
驅動電機零階模態及振動噪聲淺析
0階模態與8階模態頻率分別約為6.8kHz與10.2kHz，其振動噪聲頻譜圖如下圖所示。齒輪嚙合產生的噪聲階次，在此不再重述。電機控制器開關頻率與電機工作電流作用產生的電磁力波與上面分析相同，只不過，此處采用變開關頻率，分別采用了5k與10k的開關頻率。a、b兩處由0階模態共振引起，據分析，a 處可能激勵起端蓋的0階模態，b處有兩種可能的解釋，其一，可能由激勵與軸向0階模態作用引起，其二，是殼體（冷卻水套）產生了額外的0階相關的模態頻率。c、d兩處由0階扭轉共振引起。由此可以得出0階模態在驅動電機振動噪聲起著關鍵的作用。
四、結束語
從上述案例分析可知，在當今電動汽車永磁驅動電機中，呼吸模態很容易引起振動噪聲問題，需要工程師提起足夠的重視。
展開 水下潛艇濕模態分析（聲學模態模塊） ￥20
因此，結構自身的振動特性分析是研究其輻射聲場強度分布的基礎。潛艇水下的振動模態，稱為水下潛艇的濕模態。</p>
<p>建模過程中需要建立流固耦合模型，其中流體為理想流體，滿足如下基本假設：</p>
<p>（1）流體是無粘和可壓縮的：</p>
<p>（2）聲波振幅相對較窄，這樣流體密度變化較小；</p>
<p>（3）波傳播與熱力學過程是絕熱的。</p>
<p>注：例子來自《<a href="https://www.yqgqt.org.cn/major/Ansys" class="jsk-anchor">ANSYS Workbench</a>設計、仿真與優化 第3版》p61，原書中采用插入命令流方式實現流固耦合，之前寫過采用act插件實現，<a href="https://www.yqgqt.org.cn/post/1197433" target="_blank" title="水下潛艇濕模態分析(插入命令流與ACT對比)">水下潛艇濕模態分析(插入命令流與ACT對比)</a>。在<a href="https://www.yqgqt.org.cn/major/Ansys" class="jsk-anchor">ANSYS</a>高版本中，已經帶有聲學<a href="https://www.yqgqt.org.cn/major/fea" class="jsk-anchor">模態分析</a>模塊Modal Acoustics，本文將采用該模塊來分析。
展開 電機振動噪聲建模分析：ANSYS電機振動噪聲分析
對于電機來說，這些力可能是驅動轉子軸的磁力，也可能是更大的驅動系統的一部分，比如軸承和/或齒輪。
圖1 汽車NVH示意圖
噪聲是電機的一個熱門話題，而諸如重量和成本降低等競爭性需求會帶來工程挑戰，如果不加以解決，可能會影響客戶滿意度和產品接受度，使用ANSYS工具將為如何全面解決電機噪聲提供工程指導。
1. 問題分析
本例以永磁同步電機模型為例。在Maxwell 2D中，利用該電機的1/8模型，計算定子內表面徑向和切向磁拉力；然后在ANSYS Mechanical中進行該電機三維定子的諧響應分析；最后在ANSYS Harmonic Acoustic中進行三維聲場分析。在Workbench中，Maxwell中計算的定子內表面徑向和切向磁拉時域力密度分布，作為激勵源，耦合到Mechanical 中進行頻域的諧響應分析；諧響應分析的結果，作為激勵耦合到ANSYS Harmonic Acoustic 中，作為噪聲分析的激勵。
幾何模型
圖2 模型示意圖
材料參數
，仿真過程中使用的材料為默認的結構鋼
2. 電磁力計算
圖3 1/8電機模型
分析模型為 Prius 電機的二維分析模型，建立Maxwell 2D分析流程。
打開【Workbench】->【Toolbox】->【Analysis Systems】，添加一個Maxwell 2D分析系統。
圖4 Maxwell 2D分析流程圖
導入模型以后，為了精確分析定子齒部的徑向電磁力，并將力密度的分布耦合到后續的諧響應分析中。
需要將定子齒部“分割”出來，并施加更細密的網格剖分。
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