龍英睿，張冬妮，張吉健

（1.江蘇中車電機有限公司，湖南 株洲 412000；2.懿朵信息科技有限公司，上海 201108）

發(fā)電機已廣泛應用于風電、汽車、家電等工程領域，其振動噪聲問題也越來越受到重視。發(fā)電機噪聲可分為電磁噪聲、機械噪聲和空氣噪聲。電磁噪聲與氣隙內的諧波磁場及由此產生的電磁力波幅值、頻率和極數(shù)，以及定子本身的振動特性（如固有頻率、阻尼、機械阻抗）均有密切的關系，還與電機定子的聲學特性有很大關系。以上三種噪聲中，機械噪聲所占成分較少，由空氣動力引起的噪聲往往可以通過成熟的CFD手段來預測與優(yōu)化，而由電磁力引起的電磁噪聲由于涉及多物理場耦合，其數(shù)值分析具有一定的挑戰(zhàn)。

大中型異步電動機的噪聲比較高，目前仍然是電機設計的一大難題。電磁噪聲與激振電磁力和機械振動模態(tài)均息息相關，當電磁力波和定子模態(tài)的階次一致且頻率相接近時，會導致定子共振從而引起大的電磁噪聲，為了避免共振以降低電磁噪聲，需要利用有限元法研究激振電磁力和機械振動模態(tài)。本文將以某異步風力發(fā)電機為例進行電磁振動與噪聲數(shù)值計算，并通過試驗驗證，發(fā)現(xiàn)數(shù)值計算與試驗結果具有良好的吻合性，驗證了數(shù)值計算方法的準確性和可行性，后續(xù)在發(fā)電機前期開發(fā)階段采用數(shù)值模擬對其電磁噪聲進行快速預測與優(yōu)化，為發(fā)電機低噪聲設計及選型提供工程指導。

1 基于聯(lián)合仿真的發(fā)電機電磁振動噪聲的計算

1.1 發(fā)電機電磁噪聲理論基礎

發(fā)電機可看作電機的逆過程，與一般電機電磁噪聲基本相同，電機電磁噪聲主要是由電磁力作用在定、轉子間氣隙中，產生旋轉力波或脈動力波，促使定子產生高倍數(shù)電源頻率的振動而引起的。

定、轉子間產生的電磁力可分解為切向和徑向兩個分量，切向分量是與電磁轉矩對應的反作用力，它使定子齒根產生局部變形，對電磁噪聲影響不大，徑向分量使定子鐵心產生振動變形，是電磁噪聲的主要來源，單位面積的徑向電磁力Fr的數(shù)值及分布按（1）式計算：

電磁力作用在電機定子上，使其產生振動，電機的無阻結構振動方程可表示為：

式中：M、K分別表示系統(tǒng)質量、剛度矩陣，{x(t)}為偏離原平衡位置的廣義位移矢量。

電機結構在電磁力作用下振動對外輻射噪聲，聲波傳播過程的波動方程為：

1.2 技術路線

電機振動噪聲系統(tǒng)是一個多物理場耦合的系統(tǒng)，預測電機電磁噪聲需要計算電磁、結構與噪聲耦合場，即建立電機電磁-振動-聲學單向耦合分析模型，首先將通過電機電磁建模分析輸出電磁力結果，然后將電磁力數(shù)據(jù)映射到結構有限元模型輸出振動結果，最后建立聲學模型進行聲輻射計算，并預測電機電磁噪聲，實現(xiàn)電機電磁-振動-噪聲多物理場耦合的方法計算電磁噪聲，其技術路線如下圖1。

圖1 電機電磁-結構-聲學耦合分析技術路線

1.3 發(fā)電機電磁分析

利用Infolytica軟件的MagNet模塊來完成風力發(fā)電機的電磁與電磁力計算。電磁計算模型可直接在MagNet中建立，通過邊界設定、材料屬性設定和網(wǎng)格劃分等操作，經過電磁計算得到電磁模型單元節(jié)點電磁力，經過自編電磁噪聲接口程序轉換，輸出結構軟件Ansys可讀取的電磁力數(shù)據(jù)格式，以便進行后續(xù)振動計算。風力發(fā)電機的磁密、電磁諧波及電磁力波分析結果如下圖2。

圖2 磁密及磁力線分布圖

從圖2可以看出，發(fā)電機磁場分布對稱，磁密值在合理的范圍內，且均在設計值范圍內，滿足電磁方案磁密設計的要求。

圖3 電磁諧波圖

從圖3可以看出，發(fā)電機定子與轉子的氣隙基波磁密為0．69T，但基波磁密對噪聲是無影響的，可忽略，發(fā)現(xiàn)6、8、11、13次諧波較大，對電磁噪聲影響較大，需要重點關注。

從圖4可以看出。

圖4 定子齒電磁力波圖

（1）總體而言，電磁力波頻率主要分布在2000Hz以下，主要集中在0～500Hz和1200～1800Hz頻段，主要電磁噪聲也將集中在此頻段。

（2）可以看出，在關鍵頻率點如50Hz、100Hz、150Hz、200Hz等為電源工頻的整數(shù)倍，是電源諧波引起的典型電磁噪聲；在1452Hz等位置有較大的峰值，這是典型的發(fā)電機轉頻造成的電磁諧波。

（3）發(fā)電機在高頻1452Hz附近幅值比低頻100Hz處幅值較小，但由于人耳對低頻噪聲不敏感，即100Hz附近噪聲對總聲壓級貢獻較小，而1452Hz附近可能為主要電磁噪聲源。

1.4 發(fā)電機模態(tài)分析

發(fā)電機原始模型為電機裝配體結構，由于原始模型部件較多，且部件之間的連接關系復雜，如轉子系統(tǒng)、螺栓等，直接對原始模型進行模態(tài)分析會造成網(wǎng)格單元較多、分析周期冗長，因此需要對模型進行適當簡化，前提是簡化后的電機結構模型在性能上與原始模型差別不大，經模態(tài)計算后，整機模態(tài)在4500Hz以內大約有800階，這里不一一列出，只列出典型模態(tài)頻率和振型如下圖5、圖6。

圖5 定子及機座有限元模型示意圖

圖6 模態(tài)振型圖（上：定子，下：機座）

模態(tài)分析結論如下。

（1）主要提取了4500Hz以內的模態(tài)振型和頻率，實際上在高頻如1000Hz以上模態(tài)比較密集，難以區(qū)分其具體振型結構。

（2）模態(tài)計算結果將作為后續(xù)的發(fā)電機電磁振動頻計算的輸入。

1.5 發(fā)電機電磁振動分析

將1．3節(jié)計算得到的電磁力結果進行節(jié)點插值到1．4節(jié)的模態(tài)分析模型上，完成電磁到振動分析模型的電磁力加載，然后進行振動響應數(shù)值計算，可以得到發(fā)電機結構在電磁激勵下的振動響應結果，作為后續(xù)的聲輻射計算的輸入。不同頻率下結構的振動位移如下圖7所示。

圖7 發(fā)電機殼體振動位移云圖

1.6 發(fā)電機電磁噪聲分析

在完成1．5節(jié)發(fā)電機電磁激勵下的振動響應后，將發(fā)電機結構表面的振動速度或者位移作為聲學計算的邊界條件，并將其映射在聲學面網(wǎng)格上，在電機結構外壁面包絡生成聲學有限元網(wǎng)格作為聲學計算的近場網(wǎng)格，計算電磁輻射噪聲。Actran求解發(fā)電機電磁噪聲時，聲學分析流程如圖8所示。

圖8 發(fā)電機電磁聲輻射計算流程圖

電機聲學計算網(wǎng)格模型及虛擬麥克風場點布置如圖9和圖10所示。

圖9 聲學計算網(wǎng)格模型示意圖

圖10 虛擬麥克風點布置示意圖

在Actran中經過聲學求解計算可以輸出聲輻射數(shù)據(jù)。其中圖11為發(fā)電機在頻率1275Hz下的聲壓云圖（單位：dBA），表示發(fā)電機殼體輻射聲壓的分布情況。

圖11 發(fā)電機輻射聲壓云圖分布（1275Hz）

為了驗證仿真結果的準確性，本文對風力發(fā)電機本體進行了噪聲測試，測試工況及監(jiān)測點與仿真保持一致。圖12和圖13分別為仿真與測試的聲功率圖。

圖12 發(fā)電機聲功率仿真結果

圖13 發(fā)電機聲功率測試結果

從圖11～13可以看出，發(fā)電機電磁噪聲總聲功率級仿真值為99dBA、測試值為96．7dBA，仿真與測試結果較為接近，說明計算模型是準確的。仿真計算得到電磁噪聲峰值位置為1452Hz，與測試結果相同，兩者具有較好的一致性，同時也可以看出在某些頻率下（如508Hz等）聲壓出現(xiàn)峰值，該頻率與電機定子結構模態(tài)頻率相吻合，采取改變結構剛度或增加阻尼等方式以便避開電磁激勵頻率，可有效抑制結構振動，從而降低噪聲。

2 結語

（1）研究了利用電磁、結構與聲學軟件進行發(fā)電機全三維模型電磁噪聲的多物理場耦合計算方法，預測了電磁噪聲水平，與試驗測試相比，兩者結果一致性好，仿真預測方法可信。

（2）仿真計算得到的電磁噪聲峰值頻率為1452Hz，與測試結果吻合，從側面驗證電機電磁噪聲源主要分布在1452Hz左右，為工程降噪提供了指導方向。

（3）本文提出的電磁噪聲計算方法可用于電機電磁噪聲的研究與分析，為低噪聲發(fā)電機或電機產品設計與優(yōu)化提供工程指導，可以在產品設計階段對電磁噪聲進行前期預測與優(yōu)化，減少后期由于噪聲超標所導致的費時費力的優(yōu)化工作，從而提高產品的競爭力。

（4）后續(xù)將在此基礎上進一步做優(yōu)化與分析工作，對不同電磁方案的電磁噪聲進行分析，研究噪聲性能較好的電磁設計方案，如對不同齒槽配合、開口槽與閉口槽等進行優(yōu)化分析等。同時還將針對原量產的發(fā)電機產品通過試驗手段分析電磁噪聲特性，找出電磁噪聲偏大的原因，提出工程降噪治理方案，并通過試驗驗證。

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