基于ANSYS和SYSNOISE的电机噪声仿真分析方法

崔淑梅， 于天达， 宋立伟

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001)

0 引言

电机气隙磁场引起的电磁激振力作用于电机结构会导致电机振动，形成声波辐射。结构振动声辐射问题的分析方法主要有解析法和数值法两大类。采用解析法计算电机噪声辐射时，通常将其近似等效为平面辐射器、无限长圆柱形辐射器或球形辐射器［1－2］。然而，实际电机结构复杂，这种方法误差较大，也不能精细地分析与优化电机。数值法可解决复杂结构的计算问题［3－5］。

ANSYS是基于有限元法的一个分析软件，可以分析电机的电磁学特性和热力学特性，也可进行结构振动分析，但用于电机的噪声分析时，只能得到振动特性，不能进一步得到电机的声响特性。尤其是实验一般测得的是电机声响特性，仿真结果不能直接与实验结果相对应，需要进一步处理。SYSNOISE是一个专业振动与声学分析软件，可以直接得到声响特性，目前其主要应用于船舶、管道等领域［6－8］。

SYSNOISE善于处理复杂结构的振动声学问题，但没有有限元和边界元网格生成前处理功能;ANSYS善于进行网格前处理以及结构振动分析。因此进行复杂结构噪声数值分析时，就需要采用ANSYS和SYSNOISE进行联合仿真，如文献［9］研究了处理弹性结构水下振动和声辐射问题时ANSYS和SYSNOISE之间的数据接口技术，文献［10］将两软件联合成功地对鱼雷振动及声学特性进行了分析。

由于电机与上述两系统的结构和激振力产生原因不同，因此，以一台永磁直流电机为例，从电机有限元模型的建立、电磁激振力的计算、模型网格导入、边界条件的加载几个方面，研究将ANSYS和SYSNOISE联合进行电机噪声数值分析的具体方法。

1 基于SYSNOISE电机噪声分析方法

以某汽车发动机冷却风扇用4极20槽150 W永磁直流电机为例，探讨结合ANSYS和SYSNOISE软件平台进行声辐射仿真分析的方法。

1.1 分析流程

采用SYSNOISE和ANSYS进行声学计算分析的流程如图1所示。

1)在ANSYS中进行三维建模，并用实体单元(Solid 186)和壳单元(shell 91)进行网格划分，保存为*．cbd文件。

2)在ANSYS中进行结构的谐响应分析，将 振动位移数据保存为*．fre文件。

3)将网格模型(*．cbd)和结构振动边界条件(*．fre)导入SYSNOISE，并设置自由边界条件、流体属性，求解频率范围和步长。

4)声学响应求解。

图1 ANSYS与SYSNOISE联合仿真流程Fig．1 The flowchart of co-simulation in ANSYS and SYSNOISE

1.2 模型建立方法

在图1所示的仿真流程步骤1)中采用实体单元网格划分技术，而边界元不能采用实体单元，因此必须对原有限元模型进行适当处理才可转化成相应的声学边界元模型;考虑到步骤2)中计算得到的电机的振动频响特性，在声学计算中要作为 SYSNOISE声学边界元模型的输入边界激励条件加入，因此将有限元模型进行抽壳处理，并对整机结构外声场计算结果影响较小的局部特征(如部分附件、螺栓孔、机壳内永磁体等)进行进一步简化，但节点不进行任何处理，以保持有限元模型与边界元模型节点的一致性，从而保证数据导入的正确性。另外，在边界元的噪声辐射计算中，单元的细化程度由结构总体尺寸和声学流体域中预计算得到的最高频率数值决定，所选单元特征尺寸必须小于由最高关心频率所决定的声波波长的1/6时，声学量结果的计算精确度方可满足要求［6］。综合考虑计算可以达到的精确度、建模的复杂程度以及求解成功的可能性，本文中机壳选用四边形单元，端盖选择三角形单元实现边界元网格模型的离散，并确定声边界元网格所取的单元长度最大为5 mm，以保证所要分析的模型频率精确度控制在661 Hz以下。

图2(a)为整机实体模型，图2(b)为结构有限元分析中简化的有限元模型，图2(c)为经抽壳、单元翻转等操作后的边界元模型。边界元模型共有节点8 928个，单元3 436个，边界元模型能够满足高频计算的要求。

图2 声辐射分析模型的建立Fig．2 Establishment of model for acoustic radiation

1.3 边界条件施加方法

作用在永磁直流电机上的激振力所产生的位移响应通过ANSYS计算得到。所分析的小型永磁直流电机的噪声主要由电磁激振力产生，其来源有径向电磁力、转矩脉动和不平衡磁拉力，其中径向电磁力主要是由定子主波磁场与转子齿谐波磁场产生;转矩脉动为永磁体与电枢齿间相互作用力的切向分量的波动以及绕组感应电流纹波所引起;不平衡磁拉力主要由装配误差所致，通常通过工艺手段可以控制在允许的范围内，与前两项相比较小，计算时暂不考虑。

通过分析可知，4极20槽150 W永磁直流电机径向电磁力和脉动转矩的主要谐波次数为20次、40次和60次，其中20次谐波成分最大，而且齿槽转矩谐波幅值与转速无关，而电磁转矩谐波幅值随转速正比下降，电磁转矩各次谐波与齿槽转矩相应谐波发生矢量叠加，导致20次谐波彼此增强，成为主要成分。电机电磁力的20次谐波作用在结构上产生振动变形为4阶，图3为电磁力谐响应分析所得的振动云纹图。

图3 电机振型的有限元仿真结果Fig．3 FEM results of mode shapes for the motor

将ANSYS分析所得的位移边界条件通过SYSNOISE预设的与有限元软件间的接口导入边界元计算模型中，即完成了主要边界条件的施加。但SYSNOISE能够识别的数据格式与有限元计算结果存在一定的差别，需要编制格式转换程序将响应计算结果转换为SYSNOISE能够识别的数据文件。图4为格式转换程序框图。SYSNOISE会根据有限元和边界元网格间的关系，利用转换后的数据文件自动探测耦合表面，实施正确的模型边界条件传递，这样便实现了ANSYS与SYSNOISE的接力分析。

图4 数据文件转换程序框图Fig．4 Program flowchart of file conversion

2 仿真计算及结果分析

图5 机壳表面振速(430 Hz)Fig．5 Vibration speed of shell surface(430 Hz)

建立上述边界元模型并施加边界条件后，就可以利用SYSNOISE软件计算电机的声学特性。图5为电机机壳表面振速云纹图，表示机壳表面振动速度的分布情况。图6(a)为球面空间的声压云纹图，通过图6(a)可以得到电机在其周围空间噪声辐射的分布情况。计算所选场点为图6(b)所示的球心位于电机机壳结构中心，半径为0.1 m的球面场点。然后可以求取图中任何一点的声压频响函数。图7为图6(a)中场点122处的声压频响函数，通过图7可以得到电机在其额定转速范围内变化时的噪声辐射情况。声学频响分析中采用窄频程，计算频率为133～661 Hz，步长为33 Hz(对应电机转速为400～2 000 r/min，步长为100 r/min)。

图6 场点网格模型及声压(430 Hz)Fig．6 Mesh model and acoustic pressure of field point(430 Hz)

图7 场点122处频响函数Fig．7 Frequency response function of field point 122

3 实验验证

实验在半消声室中进行，噪声测试装置为BK2238噪声计和南京安正CRAS信号分析系统。为了减少计算时间，仿真时建立的是半径为0.1 m的球面并计算该面上的噪声值，实验时测试的也是距离中心0.1 m的相应点。实验中使电机分别在400～2 000 r/min(步长为100 r/min)的各转速工作点上稳定旋转，测试得到了各转速点的噪声频谱。

利用所建立的仿真方法，计算电机的的噪声频谱，图8为举例点600 r/min(对应430 Hz)时的情况。求出20次电磁力波所激发的噪声幅值，将各转速点所对应的20次电磁力波所激发的噪声幅值综合到一起，即可得到电机在额定转速范围内变化时噪声的实际辐射情况，如图9所示。与仿真结果相比，实测值与仿真结果存在一定的误差，最大相对误差为8.5%。产生误差的主要原因为:电机在实际运行中20次力波除了含有文中所给定的径向电磁力以外还有齿槽转矩等力波成分;另外，实验所测得的噪声数据中还包含电刷的机械换向噪声等噪声成分。总体上声场计算结果是可靠的，声场计算结果可为工程设计所接受。

图8 600 r/min时噪声频谱图Fig．8 Noise spectrogram at 600 r/min

图9 不同转速下噪声实测与仿真结果对比Fig．9 The comparison of experiment and simulation

4 结语

本文研究了利用ANSYS与SYSNOISE联合进行永磁直流电机全三维整体模型振动声学数值计算的方法。建立了基于有限元技术的结构动力计算模型，提取了基于边界元技术的噪声预测模型，给出了能将动力响应计算结果转换为SYSNOISE可识别的数据文件的转换方法。计算输出了机壳表面振速云纹图、场点声压云纹图和场点声压的频响函数，联合仿真直接给出了噪声频谱和噪声辐射结果。通过仿真结果与实验结果对比，得到最大相对误差为8.5%，计算精确度满足了工程设计需要。

该方法既利用了ANSYS较容易建立电机结构模型，得到振动特性的优点，又发挥了SYSNOISE可以快速得到声响特性的优势，加快了计算速度，仿真结果亦直观，方便与实验结果相比较。

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