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基于MANATEE的電機電磁振動噪聲源識別定位

2019-03-10 11:52:17·  來源：天源科技公眾號  作者：何彪 王少勃  
　
摘要電機的電磁振動噪聲越來越受到電機設(shè)計工程師的重視。本文以MANATEE軟件為分析平臺，分析一臺 80k W車用永磁同步電機的電磁噪聲源。首先，根據(jù)軟件仿真計算
摘要
 
電機的電磁振動噪聲越來越受到電機設(shè)計工程師的重視。本文以MANATEE軟件為分析平臺，分析一臺 80k W車用永磁同步電機的電磁噪聲源。首先，根據(jù)軟件仿真計算得到電機電磁振動噪聲頻譜圖；其次分析電機頻譜圖進(jìn)而得到電機電磁力波噪聲源，由于電磁噪聲力波源并不能為優(yōu)化提供方向。因此，本文利用MANATEE軟件噪聲源識別定位算法，實現(xiàn)噪聲源在磁密層次的識別、定位。通過上述過程可以為電機電磁噪聲提供定向優(yōu)化。

前言
 
隨著永磁同步電機的廣泛應(yīng)用，對其性能的要求越來越高，尤其是對電機振動及噪聲性能的高要求越來越迫切。對此，國內(nèi)外學(xué)者以及各研究機構(gòu)對優(yōu)化電機振動及噪聲性能做了大量研究，分析其產(chǎn)生過程，探索解決方法。電機的振動噪聲是一個復(fù)雜的多物理場問題，涉及電磁、力學(xué)、結(jié)構(gòu)和聲場等多個領(lǐng)域。國內(nèi)外對電機電磁噪聲的研究方法主要有解析法、有限元法和實驗法。
 
MANATEE(Magnetic Acoustic Noise Analysis Tool for Electrical Engineering)是法國EOMYS公司開發(fā)的電機振動噪聲仿真設(shè)計工具，是全球唯一一款專門應(yīng)用于電機電磁-振動-噪聲耦合分析設(shè)計工具。專注于計算由麥克斯韋電磁力波引起的振動噪聲。
 
得益于創(chuàng)新性的電磁-振動-噪聲耦合算法，MANATEE既可以在電機初始概念設(shè)計階段快速提供可行性方案評估，亦可以在詳細(xì)設(shè)計階段提供高精度的電機振動噪聲分析； MANATEE可以在設(shè)計階段幫助工程師快速評估電機的NVH問題，優(yōu)化電機電磁、結(jié)構(gòu)設(shè)計。也可以應(yīng)用于出廠電機的噪聲故障診斷。
本文以MANATEE軟件為分析平臺，分析一臺 80k W車用永磁同步電機的電磁噪聲源。首先，根據(jù)軟件仿真計算得到電機電磁振動噪聲頻譜圖；其次分析電機頻譜圖進(jìn)而得到電機電磁力波噪聲源，由于電磁噪聲力波源并不能為優(yōu)化提供方向。因此，本文利用MANATEE軟件噪聲源識別定位算法，實現(xiàn)噪聲源在磁密層次的識別、定位。通過上述過程可以為電機電磁噪聲提供定向優(yōu)化。
 
電機電磁振動噪聲頻譜及電磁力波源分析
 
本文以一臺48槽8極電機為例，通過MANATEE軟件實現(xiàn)電機電磁振動噪音的仿真、計算。表1所示為電機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。
MANATEE是專業(yè)的電機噪聲分析軟件，可通過軟件參數(shù)化模板，快速建立電機電磁噪聲分析模板，無需復(fù)雜的幾何畫圖等，建立電機模型完成后如下圖所示：
通過MANATEE軟件計算轉(zhuǎn)速范圍500-10000（rpm）的電機電磁振動噪聲。僅需數(shù)分鐘即可對電機電磁噪聲進(jìn)行準(zhǔn)確評估。圖3所示為電機變速頻譜聲壓力波源識別圖，從圖中可知有3個轉(zhuǎn)速點電機電磁噪聲較大，分別由電磁力波0階、8階引起。
圖4為電機階次分析圖，從圖中可知電機在電磁噪聲峰值處主要是由電磁力波0階12倍頻、8階10倍頻、8階14倍頻引起的。
圖5為電磁力波及模態(tài)分析圖，由圖可知電機在電磁力波0階12倍頻、8階10倍頻、8階14倍頻與定子鐵芯0、8階模態(tài)固有頻率比較接近、因此會發(fā)生共振，放大了噪聲。
 
電磁力波磁密源識別定位
 
通過上節(jié)分析可知，電磁噪聲力波源主要為0階12倍頻、8階10倍頻、8階14倍頻，但是并不能為優(yōu)化提供方向，因此本節(jié)通過利用MANATEE噪聲源識別定位功能分析得出電磁力波的產(chǎn)生源，為設(shè)計工程師提供電機電磁噪聲優(yōu)化的方向。
 
在MANATEE軟件中輸入噪聲源識別命令，0階12倍頻、8階10倍頻、8階14倍頻噪聲識別結(jié)果為：
 
0階12倍頻識別結(jié)果，其中B1={磁導(dǎo)頻率，磁導(dǎo)階數(shù)}·{轉(zhuǎn)子磁勢頻率，轉(zhuǎn)子磁勢空間階數(shù)}；B2={磁導(dǎo)頻率，磁導(dǎo)階數(shù)}·{定子磁勢頻率，定子磁勢空間階數(shù)}：
B1={0,Zs}.{11fs,-11p} and B2={0,0}.{fs,-p}
B1={0,0}.{13fs,-13p} and B2={0,-Zs}.{fs,-p}
B1={0,0}.{11fs,-11p} and B2={0,0}.{fs,11p}
B1={0,0}.{13fs,-13p} and B2={0,0}.{fs,-13p}
B1={0,2Zs}.{11fs,-11p} and B2={0,-Zs}.{fs,-p}
B1={0,-Zs}.{13fs,-13p} and B2={0,-2Zs}.{fs,-p}
B1={0,0}.{11fs,-11p} and B2={0,-Zs}.{fs,23p}
B1={0,0}.{13fs,-13p} and B2={0,-2Zs}.{fs,11p}
B1={0,-Zs}.{13fs,-13p} and B2={0,0}.{fs,-25p}
B1={0,3Zs}.{11fs,-11p} and B2={0,-2Zs}.{fs,-p}
B1={0,-2Zs}.{13fs,-13p} and B2={0,-3Zs}.{fs,-p}
B1={0,Zs}.{13fs,-13p} and B2={0,-Zs}.{fs,11p}
B1={0,4Zs}.{11fs,-11p} and B2={0,-3Zs}.{fs,-p}
B1={0,3Zs}.{11fs,-11p} and B2={0,0}.{fs,-25p}
B1={0,-3Zs}.{13fs,-13p} and B2={0,-4Zs}.{fs,-p}
B1={0,0}.{13fs,-13p} and B2={0,-3Zs}.{fs,23p}
B1={0,2Zs}.{11fs,-11p} and B2={0,-2Zs}.{fs,11p}
B1={0,-Zs}.{13fs,-13p} and B2={0,-3Zs}.{fs,11p}
B1={0,5Zs}.{11fs,-11p} and B2={0,-4Zs}.{fs,-p}
B1={0,-2Zs}.{11fs,-11p} and B2={0,Zs}.{fs,23p}
 
由于B1、B2相互作用就會產(chǎn)生電磁力波，從上述分析可知，0階12倍頻主要是由轉(zhuǎn)子的11、13階次諧波，定子的基波、11、13、23、25階次諧波以及磁導(dǎo)1、2、3、4、5階次諧波相互作用產(chǎn)生。
 
應(yīng)用相同的方法分析可知8階10倍頻電磁力波主要由由轉(zhuǎn)子的9、11階次諧波，定子的基波、11、13、23、25階次諧波以及磁導(dǎo)1、2、3、4、階次諧波相互作用產(chǎn)生；8階14倍頻電磁力波主要由由轉(zhuǎn)子的13、15階次諧波，定子的基波、11、13、23、25階次諧波以及磁導(dǎo)1、2、3、4、階次諧波相互作用產(chǎn)生。
 
結(jié)論
 
通過MANATEE軟件能夠分析噪聲的磁密諧波產(chǎn)生源頭，包括轉(zhuǎn)子磁勢、磁導(dǎo)、定子磁勢；轉(zhuǎn)子磁勢、磁導(dǎo)；定子磁勢、磁導(dǎo)相互作用產(chǎn)生噪聲電磁力波源，為電機設(shè)計工程師提供了電機噪聲優(yōu)化的方向。
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