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基于Ansys平台的电机NVH仿真分析流程

电机NVH是指电机在运行过程中对外表现出的噪声、振动与声振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness),其主要包括三个来源,即电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声,在这三类噪声中,电磁噪声的频率相对来说处于高频段,尤其是与驱动器开关频率相关的电磁噪声的频率刚好处于人耳最敏感的噪声频率区间,其幅值基本上决定了电机NVH的整体指标,同时相较于其他两类噪声,电磁噪声更容易通过电机电磁和机械结构的优化设计进行有效的抑制,因此电机电磁振动噪声是我们重点关注的对象。
由于电机NVH问题的相关理论复杂,同时涉及电磁/结构/声学多学科,是典型的多物理场耦合问题,其仿真分析具有一定难度。4月21日,【Ansys 电机NVH仿真分析流程介绍】网络研讨会即将开播,将介绍如何利用Ansys 2020 R1,在有限元环境下,精确分析电机的振动噪声:利用Maxwell2D/3D快速仿真电机在多转速下定/转子表面的频域电磁力并无缝链接到Workbench平台Harmonic Response模块进行多转速谐响应分析,得到电机的ERP Level Waterfall图,用于分析电机在各转速下的谐振情况;同时多转速谐响应分析结果也可传递到Harmonic Acoustics模块进行Sound Power Level Waterfall的分析,用于进一步对电机噪声水平进行评估。欢迎报名参加!

点击报名:https://event.3188.la/1844160010

本文将以典型的8极48槽内置式永磁电机为例,详细介绍在Ansys平台下电机NVH仿真分析的流程,希望对各位工程师有所帮助。

Maxwell电机参数化模型的建立
本文虚构了一台典型的IPM电机方案,采用8极48槽,V字型磁钢,单层整距绕组,转子轴向分4段V型斜极,
 
Maxwell软件具有多种参数化建模方法,我们推荐采用软件内置UDP (User Defined Primitives)或自定义UDP的方式来建模,Maxwell内置了大量UDP模型,涵盖了各种常规电机的定、转子、绕组、机壳的模型,调用方法为Draw>User Defined Primitive >RMxprt,UDP模型中的所有几何尺寸皆可用变量进行定义以实现参数化。
UDP调用方法
 
IPM永磁电机的转子结构形式千变万化,内置UDP库里面的IPMCore往往无法满足实际需求,为此我们定制开发了一个IPM转子UDP模型,该模型支持V、一、双V、双一、V一等组合的磁钢结构,同时支持转子表面辅助槽,本例采用该UDP绘制转子铁心和磁钢模型。
 

自定义UDP建转子模型
 
接下来绘制InnerRegion和OuterRegion,利用Split工具分割全模型得到1/8模型,在DesignSettings中设置周期数为8,至此完成完整几何模型的建立,然后进行材料属性、磁钢坐标系、边界条件、网格剖分的设置,这里不再详述设置方法,接下来利用“绕组自动设置脚本“快速完成绕组分相、激励源、初始角度和求解时间的设置,最后得到电机有限元仿真模型。
绕组自动设置脚本

Maxwell中计算频域电磁激振力
完成了电机仿真模型的建立,接下来进行电磁力计算的准备工作。为了更精确的计算定子齿部集中电磁力,利用布尔运算工具将定子齿部模型单独取出并进行网格加密,
 

添加On Selection 剖分设置
 
查看定子齿部网格,可见On Selection 剖分方式仅对物体边缘网格进行了加密。

定子齿部网格剖分图
 
接着,在Maxwell Design点击右键激活软件内置的谐波电磁力计算功能,该功能用于计算时域电磁力并转换到频域,用于下一节的谐响应分析。
 

谐波力计算功能
 
在General选项卡中勾选所有齿部模型,在Type处选择Object Based,本文采用Object Based方式计算集中电磁力,另外软件还支持Element Based(Surface)方式计算结点电磁力,两种方法计算的都是物体表面或者边缘的麦克斯韦电磁力,在2019R3版本以后,软件新加入了Element Based(Volumetric)体积力计算功能,可用于分析变压器或电机因磁致伸缩力、洛伦兹力导致的振动噪声。
 

选择Object Based
 
本例中转子虽然采用了分段斜极,但是对于任意转子分段,其沿轴向方向几何模型是相同的,同时齿部结构简单,可采用Object Based方式计算集中电磁力。

谐响应分析
我们利用Workbench中的Harmonic Response模块在频域下对电机的进行多转速谐响应分析,获得多转速下的ERP Level瀑布图。首先导入Maxwell design并在DefaultDesignXplorerSetup设置转速的参数化扫描
 

设置DefaultDesignXplorerSetup
 

设置DefaultDesignXplorerSetup
 
然后从左侧工具栏拖入Harmonic Response模块并导入电机三维几何模型
 

定子三维模型
 
Harmonic Response模块允许导入多组电磁力数据,将三个Maxwell design的solution标签拖到.Harmonic Response模块的setup标签,即可实现电磁力的传递。

加入谐响应模块
 
在谐响应分析界面中,设置适当的网格以及机壳和铁心的材料属性。在实际工程中,电机的定子铁心由冲片叠压而成,应采用各项异性的材料属性,各向异性的材料属性可利定子用自由模态实验数据拟合得到。
 

设置网格
 
为了便于将电磁力施加到定子齿部,可对各段定子齿尖表面创建Named Selection。
 

三组定子齿顶表面Named Selection
 
接下来选中每个转子分段对应的Imported Remote Loads,利用Named Selection将电磁力在和施加在该转子分段对应的定子齿面上,Remote Pointss选择Global Available,Number of Frequencies to Consider处填入扫频分析的频率点数。最后右键导入电磁力载荷。
 

导入电磁力设置
 
如下图所示,软件自动导入了各转速对应的齿部电磁力载荷,同时自动完成了Analysis Setting的设置。

电机在实际工作中会采用法兰或底脚固定,本例对机壳底角面添加Fixed Support约束条件。

添加Fixed Support约束条件
 
在Solution处插入ERP Level Waterfall Diagram
 

插入ERP Level Waterfall Diagram
在谐响应Analysis Settings的属性界面,将求解方式设置为Mode Superposition模态叠加法,软件先自动进行模态分析,然后基于模态分析结果利用模态叠加法进行谐响应分析,虽然这种算法会忽略结构非线性,但由于电机振动属于小变形问题,非线性并不明显,这种算法在保证精度的同时可节省大量计算时间。
 

采用模态叠加法
 
以上我们完成了多转速谐响应分析的全部设置,在Solution处点击右键选择Solve进行分析,分析结束后查看ERP Level Waterfall Diagram等效辐射功率等级瀑布图
 

查看ERPL瀑布图
 
噪声分析
我们可以进一步在Harmonic Acoustics模块中导入谐响应分析得到的ERP载荷来分析空间中的噪声分布。噪声分析需要对应的求解域,一般为球状或半球状空气包,为了演示方便这里采用圆环状求解域,重点分析电机侧面的噪声分布,这也是径向电磁力产生噪声的主要传播途径。
 

创建空气域模型
 
回到Workbench界面,从左侧工具栏拖入Harmonic Acoustics模块,并如图进行链接,在Harmonic Acoustics模块的Geometry处导入空气域模型。
 

加入Harmonic Acoustics模块
 
修改求解域材料属性为Air。
 

设置空气域材料
 
在Imported Load 处导入载荷并同步分析设置。
 

导入噪声分析载荷
 
选中空气域外侧面添加Radiation Boundary。
 

添加Radiation Boundary
 
在Solution处插入Far-field Sound Power Level Waterfall Diagram,然后右键点击Solve开始求解。
 

添加Far-field Sound Power Level Waterfall Diagram分析设置
 
计算结束后查看多转速噪声分析结果
 

查看多转速噪声分析结果
 
插入Acoustics下的A-Weighted Sound Pressure Level,查看3500rpm@2800Hz的A计权声压级分布
 

3500rpm@2800Hz的A计权声压级分布
 
插入Frequency response下的A-Weighted Sound Pressure Level,查看3500rpm噪声频谱。
 

3500rpm噪声频谱

 本文以典型案例介绍了基于Ansys平台的电机NVH分析流程,本流程主要关注电机定子所受麦克斯韦电磁力导致的机壳谐振所产生的表面辐射功率对电机振动噪声的贡献,这也是传统电机NVH分析理论所重点讨论的内容,当然,从机壳辐射出的振动噪声只是电机NVH的其中一条路径,对于带有减速器的动力系统来说,电机纹波转矩导致的轴系共振也不能忽视,但是严格来说这不单纯是电机本体的NVH问题,同时纹波转矩也比较容易通过斜极斜槽、磁极修型、主动注入电流谐波等措施得到改善,其优化难度相对径向电磁力来说并不大,在以后的文章中我们再来关注这一部分内容。另外,因条件有限,本文忽略了一些电机NVH仿真中的实际因素,比如端盖和绕组模型的等效、定子铁心装配预应力、铁心各项异性的材料属性以及结构阻尼等等,这些因素都会不同程度上影响NVH分析的结果,需要各位工程师在实际工程项目中,结合相关理论和实验测试结果进行深入的探索。
发布时间:2020年04月20日

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