崔淑梅， 于天達(dá)， 宋立偉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

電機(jī)氣隙磁場(chǎng)引起的電磁激振力作用于電機(jī)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)，形成聲波輻射。結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射問題的分析方法主要有解析法和數(shù)值法兩大類。采用解析法計(jì)算電機(jī)噪聲輻射時(shí)，通常將其近似等效為平面輻射器、無限長(zhǎng)圓柱形輻射器或球形輻射器［1－2］。然而，實(shí)際電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這種方法誤差較大，也不能精細(xì)地分析與優(yōu)化電機(jī)。數(shù)值法可解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算問題［3－5］。

ANSYS是基于有限元法的一個(gè)分析軟件，可以分析電機(jī)的電磁學(xué)特性和熱力學(xué)特性，也可進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析，但用于電機(jī)的噪聲分析時(shí)，只能得到振動(dòng)特性，不能進(jìn)一步得到電機(jī)的聲響特性。尤其是實(shí)驗(yàn)一般測(cè)得的是電機(jī)聲響特性，仿真結(jié)果不能直接與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，需要進(jìn)一步處理。SYSNOISE是一個(gè)專業(yè)振動(dòng)與聲學(xué)分析軟件，可以直接得到聲響特性，目前其主要應(yīng)用于船舶、管道等領(lǐng)域［6－8］。

SYSNOISE善于處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)聲學(xué)問題，但沒有有限元和邊界元網(wǎng)格生成前處理功能;ANSYS善于進(jìn)行網(wǎng)格前處理以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析。因此進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值分析時(shí)，就需要采用ANSYS和SYSNOISE進(jìn)行聯(lián)合仿真，如文獻(xiàn)［9］研究了處理彈性結(jié)構(gòu)水下振動(dòng)和聲輻射問題時(shí)ANSYS和SYSNOISE之間的數(shù)據(jù)接口技術(shù)，文獻(xiàn)［10］將兩軟件聯(lián)合成功地對(duì)魚雷振動(dòng)及聲學(xué)特性進(jìn)行了分析。

由于電機(jī)與上述兩系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和激振力產(chǎn)生原因不同，因此，以一臺(tái)永磁直流電機(jī)為例，從電機(jī)有限元模型的建立、電磁激振力的計(jì)算、模型網(wǎng)格導(dǎo)入、邊界條件的加載幾個(gè)方面，研究將ANSYS和SYSNOISE聯(lián)合進(jìn)行電機(jī)噪聲數(shù)值分析的具體方法。

1 基于SYSNOISE電機(jī)噪聲分析方法

以某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇用4極20槽150 W永磁直流電機(jī)為例，探討結(jié)合ANSYS和SYSNOISE軟件平臺(tái)進(jìn)行聲輻射仿真分析的方法。

1.1 分析流程

采用SYSNOISE和ANSYS進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算分析的流程如圖1所示。

1)在ANSYS中進(jìn)行三維建模，并用實(shí)體單元(Solid 186)和殼單元(shell 91)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，保存為*．cbd文件。

2)在ANSYS中進(jìn)行結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析，將 振動(dòng)位移數(shù)據(jù)保存為*．fre文件。

3)將網(wǎng)格模型(*．cbd)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)邊界條件(*．fre)導(dǎo)入SYSNOISE，并設(shè)置自由邊界條件、流體屬性，求解頻率范圍和步長(zhǎng)。

4)聲學(xué)響應(yīng)求解。

圖1 ANSYS與SYSNOISE聯(lián)合仿真流程Fig．1 The flowchart of co-simulation in ANSYS and SYSNOISE

1.2 模型建立方法

在圖1所示的仿真流程步驟1)中采用實(shí)體單元網(wǎng)格劃分技術(shù)，而邊界元不能采用實(shí)體單元，因此必須對(duì)原有限元模型進(jìn)行適當(dāng)處理才可轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的聲學(xué)邊界元模型;考慮到步驟2)中計(jì)算得到的電機(jī)的振動(dòng)頻響特性，在聲學(xué)計(jì)算中要作為 SYSNOISE聲學(xué)邊界元模型的輸入邊界激勵(lì)條件加入，因此將有限元模型進(jìn)行抽殼處理，并對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)外聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果影響較小的局部特征(如部分附件、螺栓孔、機(jī)殼內(nèi)永磁體等)進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化，但節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行任何處理，以保持有限元模型與邊界元模型節(jié)點(diǎn)的一致性，從而保證數(shù)據(jù)導(dǎo)入的正確性。另外，在邊界元的噪聲輻射計(jì)算中，單元的細(xì)化程度由結(jié)構(gòu)總體尺寸和聲學(xué)流體域中預(yù)計(jì)算得到的最高頻率數(shù)值決定，所選單元特征尺寸必須小于由最高關(guān)心頻率所決定的聲波波長(zhǎng)的1/6時(shí)，聲學(xué)量結(jié)果的計(jì)算精確度方可滿足要求［6］。綜合考慮計(jì)算可以達(dá)到的精確度、建模的復(fù)雜程度以及求解成功的可能性，本文中機(jī)殼選用四邊形單元，端蓋選擇三角形單元實(shí)現(xiàn)邊界元網(wǎng)格模型的離散，并確定聲邊界元網(wǎng)格所取的單元長(zhǎng)度最大為5 mm，以保證所要分析的模型頻率精確度控制在661 Hz以下。

圖2(a)為整機(jī)實(shí)體模型，圖2(b)為結(jié)構(gòu)有限元分析中簡(jiǎn)化的有限元模型，圖2(c)為經(jīng)抽殼、單元翻轉(zhuǎn)等操作后的邊界元模型。邊界元模型共有節(jié)點(diǎn)8 928個(gè)，單元3 436個(gè)，邊界元模型能夠滿足高頻計(jì)算的要求。

圖2 聲輻射分析模型的建立Fig．2 Establishment of model for acoustic radiation

1.3 邊界條件施加方法

作用在永磁直流電機(jī)上的激振力所產(chǎn)生的位移響應(yīng)通過ANSYS計(jì)算得到。所分析的小型永磁直流電機(jī)的噪聲主要由電磁激振力產(chǎn)生，其來源有徑向電磁力、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和不平衡磁拉力，其中徑向電磁力主要是由定子主波磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子齒諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生;轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為永磁體與電樞齒間相互作用力的切向分量的波動(dòng)以及繞組感應(yīng)電流紋波所引起;不平衡磁拉力主要由裝配誤差所致，通常通過工藝手段可以控制在允許的范圍內(nèi)，與前兩項(xiàng)相比較小，計(jì)算時(shí)暫不考慮。

通過分析可知，4極20槽150 W永磁直流電機(jī)徑向電磁力和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的主要諧波次數(shù)為20次、40次和60次，其中20次諧波成分最大，而且齒槽轉(zhuǎn)矩諧波幅值與轉(zhuǎn)速無關(guān)，而電磁轉(zhuǎn)矩諧波幅值隨轉(zhuǎn)速正比下降，電磁轉(zhuǎn)矩各次諧波與齒槽轉(zhuǎn)矩相應(yīng)諧波發(fā)生矢量疊加，導(dǎo)致20次諧波彼此增強(qiáng)，成為主要成分。電機(jī)電磁力的20次諧波作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生振動(dòng)變形為4階，圖3為電磁力諧響應(yīng)分析所得的振動(dòng)云紋圖。

圖3 電機(jī)振型的有限元仿真結(jié)果Fig．3 FEM results of mode shapes for the motor

將ANSYS分析所得的位移邊界條件通過SYSNOISE預(yù)設(shè)的與有限元軟件間的接口導(dǎo)入邊界元計(jì)算模型中，即完成了主要邊界條件的施加。但SYSNOISE能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)格式與有限元計(jì)算結(jié)果存在一定的差別，需要編制格式轉(zhuǎn)換程序?qū)㈨憫?yīng)計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為SYSNOISE能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)文件。圖4為格式轉(zhuǎn)換程序框圖。SYSNOISE會(huì)根據(jù)有限元和邊界元網(wǎng)格間的關(guān)系，利用轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)文件自動(dòng)探測(cè)耦合表面，實(shí)施正確的模型邊界條件傳遞，這樣便實(shí)現(xiàn)了ANSYS與SYSNOISE的接力分析。

圖4 數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換程序框圖Fig．4 Program flowchart of file conversion

2 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

圖5 機(jī)殼表面振速(430 Hz)Fig．5 Vibration speed of shell surface(430 Hz)

建立上述邊界元模型并施加邊界條件后，就可以利用SYSNOISE軟件計(jì)算電機(jī)的聲學(xué)特性。圖5為電機(jī)機(jī)殼表面振速云紋圖，表示機(jī)殼表面振動(dòng)速度的分布情況。圖6(a)為球面空間的聲壓云紋圖，通過圖6(a)可以得到電機(jī)在其周圍空間噪聲輻射的分布情況。計(jì)算所選場(chǎng)點(diǎn)為圖6(b)所示的球心位于電機(jī)機(jī)殼結(jié)構(gòu)中心，半徑為0.1 m的球面場(chǎng)點(diǎn)。然后可以求取圖中任何一點(diǎn)的聲壓頻響函數(shù)。圖7為圖6(a)中場(chǎng)點(diǎn)122處的聲壓頻響函數(shù)，通過圖7可以得到電機(jī)在其額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化時(shí)的噪聲輻射情況。聲學(xué)頻響分析中采用窄頻程，計(jì)算頻率為133～661 Hz，步長(zhǎng)為33 Hz(對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為400～2 000 r/min，步長(zhǎng)為100 r/min)。

圖6 場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格模型及聲壓(430 Hz)Fig．6 Mesh model and acoustic pressure of field point(430 Hz)

圖7 場(chǎng)點(diǎn)122處頻響函數(shù)Fig．7 Frequency response function of field point 122

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)在半消聲室中進(jìn)行，噪聲測(cè)試裝置為BK2238噪聲計(jì)和南京安正CRAS信號(hào)分析系統(tǒng)。為了減少計(jì)算時(shí)間，仿真時(shí)建立的是半徑為0.1 m的球面并計(jì)算該面上的噪聲值，實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)試的也是距離中心0.1 m的相應(yīng)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中使電機(jī)分別在400～2 000 r/min(步長(zhǎng)為100 r/min)的各轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)上穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，測(cè)試得到了各轉(zhuǎn)速點(diǎn)的噪聲頻譜。

利用所建立的仿真方法，計(jì)算電機(jī)的的噪聲頻譜，圖8為舉例點(diǎn)600 r/min(對(duì)應(yīng)430 Hz)時(shí)的情況。求出20次電磁力波所激發(fā)的噪聲幅值，將各轉(zhuǎn)速點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的20次電磁力波所激發(fā)的噪聲幅值綜合到一起，即可得到電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化時(shí)噪聲的實(shí)際輻射情況，如圖9所示。與仿真結(jié)果相比，實(shí)測(cè)值與仿真結(jié)果存在一定的誤差，最大相對(duì)誤差為8.5%。產(chǎn)生誤差的主要原因?yàn)?電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中20次力波除了含有文中所給定的徑向電磁力以外還有齒槽轉(zhuǎn)矩等力波成分;另外，實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的噪聲數(shù)據(jù)中還包含電刷的機(jī)械換向噪聲等噪聲成分?？傮w上聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果是可靠的，聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可為工程設(shè)計(jì)所接受。

圖8 600 r/min時(shí)噪聲頻譜圖Fig．8 Noise spectrogram at 600 r/min

圖9 不同轉(zhuǎn)速下噪聲實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比Fig．9 The comparison of experiment and simulation

4 結(jié)語

本文研究了利用ANSYS與SYSNOISE聯(lián)合進(jìn)行永磁直流電機(jī)全三維整體模型振動(dòng)聲學(xué)數(shù)值計(jì)算的方法。建立了基于有限元技術(shù)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算模型，提取了基于邊界元技術(shù)的噪聲預(yù)測(cè)模型，給出了能將動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為SYSNOISE可識(shí)別的數(shù)據(jù)文件的轉(zhuǎn)換方法。計(jì)算輸出了機(jī)殼表面振速云紋圖、場(chǎng)點(diǎn)聲壓云紋圖和場(chǎng)點(diǎn)聲壓的頻響函數(shù)，聯(lián)合仿真直接給出了噪聲頻譜和噪聲輻射結(jié)果。通過仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得到最大相對(duì)誤差為8.5%，計(jì)算精確度滿足了工程設(shè)計(jì)需要。

該方法既利用了ANSYS較容易建立電機(jī)結(jié)構(gòu)模型，得到振動(dòng)特性的優(yōu)點(diǎn)，又發(fā)揮了SYSNOISE可以快速得到聲響特性的優(yōu)勢(shì)，加快了計(jì)算速度，仿真結(jié)果亦直觀，方便與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較。

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