船舶用电机定子减振降噪优化设计

刘泽松 高建建

摘要： 本文通过对电机定子结构进行优化，提高电机减振降噪性能。以电机定子的厚度及内槽数量、外槽宽度为设计变量，通过有限元仿真软件ANSYS求解计算了不同参数的设计变量下电机定子的位移、应力、应变云图，固有频率等，并且进行谐响应分析和随机振动分析。通过多元回归分析得到设计参数与分析结果的近似函数方程，根据所得方程求解最优参数。利用NSGA-II遗传算法，将减振降噪优化设计问题转化为在给定约束下求解多目标的全局最优解问题，得到的最终优化方案。

Abstract： This article optimizes the motor stator structure to improve the motor's vibration and noise reduction performance. Taking the thickness of the motor stator， the number of inner slots， and the width of the outer slots as design variables， the finite element simulation software ANSYS is used to solve and calculate the displacement， stress， strain cloud diagram， natural frequency， etc. of the motor stator under the design variables of different parameters， and perform the harmonic response. Analysis and random vibration analysis. The approximate function equations of the design parameters and the analysis results are obtained through multiple regression analysis， and the optimal parameters are solved according to the obtained equations. Using the NSGA-II genetic algorithm， the optimization design problem of vibration reduction and noise reduction is transformed into a multi-objective global optimal solution problem under given constraints， and the final optimization scheme is obtained.

关键词： 减振降噪;有限元分析;优化设计;NSGA-II遺传算法

Key words： vibration reduction and noise reduction;finite element analysis;optimal design;NSGA-II genetic algorithm

中图分类号：U663.2                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）17-0024-02

0  引言

在现代船舶当中，电动机是保证安全航行的重要组成部分，舰船用电机是船舶配套设备及舰艇用辅助装置（操舵装置、锚机和绞盘机、减摇装置、通风机等）的主要驱动装置。但是很多船舶的机舱结构复杂，工作人员很难直接通过对实物进行操作和管理来学习。另一方面，目前市场上传统的舰船用电机品种和规格比较单一，振动大、噪声强，不仅对船上设备仪器的正常运用造成较大影响，对船员的工作生活和身体健康亦有所影响[1]，而且还会对水域沿岸的居民生活产生影响，甚至会对水域环境产生噪声污染，影响水域生物的生活，进而影响整片水域的渔业生产[2]。在此条件下，通过计算机对电动机建模与仿真，有利于分析和解决船舶电机的故障问题。因此本文通过研究电机关键零部件电机定子来提高电动机减振性。

目前电机主要可以分为直流和交流电机。近年来，随着交流电机技术越来越成熟，直流电机逐渐被交流电机所取代。湖北工业大学的汪思敏[3]着重研究磁极偏移对无刷电机电磁振动与噪声影响，建立有限元模型，并通过三维仿真分析了机壳厚度、绕组形式和浸漆对无刷电机固有模态的影响。刘磊[4]等人对无人艇电动舵机展开研究，建立了电动舵机的电磁场仿真模型。

电机定子是电动机静止不动的部分。定子由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。为了减少实际应用中电机运转时产生强烈的振动及噪声的问题，本文对电机定子模型综合优化通过上述分析，利用遗传算法，获取同时满足结构自重小、动响应条件好的定子结构尺寸。

1  有限元建模

图1为电动机定子。在进行载荷施加时，其他零件以施加载荷的形式作用在电机定子上，电机定子模型。本文通过改变定子厚度和内槽数量以及外槽尺寸三个设计参数来建立不同的电机定子模型，每个参数按照收敛性取五个等级，共计一百二十五组模型。分析电动机的模型可以发现，电机定子仅受自身的重力以及运转时的转矩。电机定子的自重可以通过ansys直接添加，转矩为绕中心轴的大小为500N·m。

2  静强度分析

对电机定子施加了约束条件和载荷后，经Ansys计算求解，得知电机定子的最大应力强度为7539.4Pa。

查閱资料可知，电机定子材料屈服强度为450MPa，取安全系数S为1.5。有上述静力学分析结果可知电机定子最大应变为7539.4Pa，经过计算后发现满足强度要求。

3  电机定子的模态分析

对电机定子进行模态分析可以计算求解它的各阶模态的振动频率和模态特性。对于电机整机来说，对电机定子进行模态分析可以有效提高其工作时的稳定性，并且降低振动，从而提高电机工作性能。模态分析结果：一阶模态频率为15143Hz，二阶模态频率为15216Hz。因为阶数愈高，在现实生活中愈难实现，在优化设计时主要考虑1阶和2阶的求解结果，已知电机在运转时受到的激励频率为49Hz，故电机定子的原始模型在电机工作是避开了共振频率，不会产生共振现象。

4  电机定子的动力学分析

4.1 模型的谐响应分析  谐响应分析是用来分析当施加常值频率和幅值的正弦载荷时结构的稳态响应。通过谐响应分析，确定结构可以在不同频率的简谐载荷下不受破坏，并且降低振动幅值。电机定子的位移值为1.4927*10-11m。

4.2 模型的随机振动分析  随机振动分析是一种从概率统计学中衍生出的谱分析。通过实验测试获得电机定子结构的功率谱密度函数。本文施加的载荷为位移频谱激励。计算求解后得到电机定子模型的X、Y及Z方向的等效形变，其中X方向最大形变值1.9726*10-11m。

5  基于NSGA-II遗传算法的综合设计

在本文的电机定子优化设计中，需要实现减振降噪的目的。在定子满足强度要求的前提下，需要尽可能减小电机工作时电机定子的振动幅值，使其能够运行平稳、安全;还需要调整电机定子的固有频率，防止发生共振现象。因此需要利用多目标优化的方法进行优化设计。

本文通过NSGA-II遗传算法对电机定子进行多目标优化设计。将设计变量与目标对应的离散点通过Matlab软件拟合成一条曲线，通过遗传算法，获得电机定子的最优参数。遗传算法的原理是基于优胜劣汰原则，在参数定义域内搜索最优方案的算法。遗传算法的基本流程是生成一个有一定规模的初始种群，然后通过选择、交叉、变异这三种操作生成子群，然后不断重复这一过程直至满足程序条件获得最优解。NSGA-II是基于遗传算法的多目标遗传算法，它一方面提出了快速非支配排序法和、拥挤度概念，降低了运算复杂度，另一方面引进了精英策略，因而优质解不会在进化时丢失。由于NSGA-II遗传算法在解决多目标优化问题上有上述等优点，本文采用此算法求解全局最优解。所得电机定子的应力最大值均满足强度要求。定子厚度较小时，会对应力强度影响很大，但当定子厚度达到一定值时，对应力强度影响不明显。故为了减小计算量，不添加静力学分析结果作为综合优化的目标函数。电机定子各阶的固有频率与电机的激振频率差距很大，可以有效避免产生共振现象。因此，在利用NSGA-II遗传算法进行综合优化时，可以不考虑设计参数对电机定子固有频率的影响，减少综合优化计算时目标函数的数量。主要考虑电机定子厚度和内槽数量两个设计参数对电机定子谐响应分析结果和随机振动分析结果的影响，因此本次优化为二目标函数优化问题，以拟合函数的最小值为优化目标。

设Z1=f（x，y），通过Matlab软件进行线性拟合，拟合结果得出：

Z1=-8.2e（-10）+3.721e（-11）x+1.166e（-8）y（1）

x——电机定子厚度;y——电机定子内槽数量;Z1——电机定子静力学分析所得最大形变值。

设Z2=f（x，y），通过Matlab软件进行线性拟合，拟合结果得出：

Z2=8.297e（-9）-1.625e（-10）x-1.975e（-8）y（2）

Z2——电机定子谐响应分析所得最大形变值。

通过上文分析可以看出肋板数量对随机振动分析结果影响较小，故只分析电机定子厚度对分析结果影响。

设Z3=f（x），通过Matlab软件进行线性拟合，拟合结果得出：

Z3=2.175e（-6）-7.996e（-8）x（3）

Z3——电机定子随机振动分析所得最大形变值。

在Matlab中调用NSGA-II遗传算法程序，设置种群大小为20，进化总代数为100;设置目标函数数量为2，决定变量为2;设置决定变量1为电机定子厚度，最小值为0.11，最大值为0.17;设置决定变量2为内槽数量，最小值为26，最大值为33。调用NSGA-II遗传算法程序计算求解，得到电机定子综合优化的全局最优解集，本次优化结果：x=13.9441684，y=31.1796081;即电机定子厚度约为14.0mm，肋板数量为31。根据NSGS-II遗传算法综合优化所得参数建立电机定子模型，通过Ansys软件中的Workbench模块进行分析，检验优化结果。

静力学分析结果，电机定子许用应力为300MPa，静力学分析所得最大应力值7501Pa，远小于电机定子许用应力，满足强度要求。电机定子原始模型静力学分析所得最大应力值为7539.4Pa，比较可知，优化所得电机定子最大应力值小于原始模型最大应力值。

优化电机定子的一阶模态频率16628Hz，二阶模态频率为16632Hz，如表1所示，模态频率均远离激振频率49Hz，故不会产生共振现象。比较发现优化模型各阶频率均大于原始模型模态频率，防止共振现象的效果更好。

谐响应分析最大位移值为2.4299*10-19m，比较电机定子原始模型谐响应分析结果最大位移值为1.4927*10-11m，很明显，谐响应分析结果得到优化，即电机定子在谐波载荷作用下振动减小。计算可知，X方向振动幅值明显降低，故优化方案对降低随机振动有显著影响。

6  总结

减振降噪优化是提高电机性能的有效方法。电机定子的减振降噪优化设计是一个多自变量、多优化目标的较为复杂的问题。本文通过有限元软件ANSYS中的 Workbench模块，将电机定子模型导入并分析，经过计算对各组模型进行求解统计，可以快速获得设计变量与因变量的离散点，通过Matlab软件对离散点进行回归分析，获得了拟合优度较好的回归方程。最后借助NGSA-II遗传算法进行二目标综合优化，求解出全局最优解集，取其一个最优解方案为：电机定子厚度为14mm，内槽数量为31。经过优化后，电机定子重量由8.9kg减少到7.6kg，降低了14%，电机定子在谐波载荷下的振动幅值降低，x方向随机振动振动幅值降低，达到本次电机定子减振降噪的优化目标。

参考文献：

[1]胡鹏涛.大型船舶噪声测量与控制方法探析[J].电子制作，2018（Z1）：66-67，106.

[2]陈芳旭，刘晃，汤涛林，张宇雷，庄保陆.船舶噪声对大西洋鲑体质量、皮质醇及部分免疫指标的影响[J].渔业现代化，

2020，47（01）：31-37.

[3]汪思敏.无刷电机磁极偏移电磁振动与噪声研究[D].湖北工业大学，2019.

[4]刘磊，赵国平，岳彩锐，魏娟.无人艇电动舵机电磁振动仿真与分析[J].中国造船，2020，61（S1）：150-155.