鲁达 摘 要
电机噪声的具体形式有很多，如电磁噪声、空气动力噪声和机械噪声，作用在电机定、转子上的时变电磁力会引起电磁振动，从而使电机辐射电磁噪声，因此电机电磁振动是电机的主要振动、噪声源，我们有必要对其进行研究和控制。电机引起的噪声问题涉及到电磁、振动、声学等多物理场的耦合问题，ANSYS 软件的 Maxwell 模块具有强大的电磁场分析能力、Mechanical 模块具有历经工程实践验证的结构振动分析能力和强大的声学分析模块 Acoustics ACT，并且可以完成它们之间数据的无缝传输从而实现耦合场分析，这为电机的电磁振动噪音问题提供了很好的解决方案。本文通过一款直流永磁电机的噪音分析案例完成了整个电磁、谐响应和声学及它们间耦合分析的整个过程，得到了各阶频率下对应的声压、声压级、声速等。
1 前言
噪声是各种不同频率和声强的声音杂乱无章的组合，它会干扰人们谈话、降低人的思维，使人产生疲劳，从而影响休息、工作和睡眠，长期暴露在噪声环境中，还会使人的听力受损[1]，因此我们需要对其进行研究和控制。电磁噪声主要是气隙中的电磁场产生电磁力，引起铁心轭部振动，最终通过电机外壳将噪声辐射出去。这个过程涉及电磁场分析、振动分析和传递介质的声学分析，是个多场、多学习耦合的复杂问题，本文运用 ANSYS强大的多学科耦合分析能力为电机噪音问题提供了完善的解决方案。
2 磁钢电磁力分析
电机的气隙磁场存在于电机定转子的微小气隙中。气隙磁场是机电能量转换的中介，同时也在电机的定转子上产生径向和切向的电磁力。这些电磁力在把电能转换为机械能的同时，也作用在定转子结构上，引起电磁振动。转子振动主要通过轴承传递到外壳上，由于轴承具有弹性和一定的阻尼作用，传到外壳的高频振动会明显衰减。而定子一般直接连接到电机外壳上，相比于转子振动，定子振动更容易引起外壳的解耦股振动和噪声。
转子齿上受到的是安培力，形成电磁转矩。而在永磁体和定子铁芯上受到麦克斯韦力，产生振动和噪声。对于永磁直流电机来说，引起电机振动的主要作用力在永磁体上，包括径向和切向的电磁力。
2.1 电机模型简化
电机电磁力分析只考虑电机本体部分，如定转子、绕组、磁钢等。分析时采用 Maxwell2D，利用该电机的 1/4 模型，计算磁钢内表面径向和切向磁拉力，借助 NX 软件简化模型（简化定子机壳，如去除细小的面、线、小圆角等）
2.2 Maxwell 电磁力分析
具体步骤如下：
1）网格划分，其中单独对磁钢进行网格加密
2）激活瞬态电磁场与谐响应分析的耦合分析选项
3）Maxwell 自动计算最后一个完整周期的瞬态电磁力
4）软件自动完成傅里叶变换，时域电磁力转化为频域电磁力
这里 Maxwell 中计算的定子内表面径向和切向磁拉力密度分布将作为激励源，耦合到Mechanical 中进行频域的谐响应分析。
3 谐响应分析
在 Workbench 的 Analysis System 窗口中选择 Harmonic response，并将 Harmonicresponse 拖拽到 Project Schematic 窗口中 Maxwell 的右边，连线 D4 和 B5 实现电磁力结果到谐响应分析的无缝传输。
3.1 模型简化
谐响应分析只考虑电机定子机壳、磁钢，忽略其余结构，借助 NX 软件简化模型（包括去除小的面、线、小圆角等）
3.2 Mechanical 谐响应分析
具体步骤如下：
1）网格划分
2）导入 Maxwell 电磁力
3）定义噪声源传递文件
4）谐响应分析求解设置并提交求解
3.2.1 谐响应分析边界条件
3.2.2 谐响应分析材料参数
这里 Mechanical 谐响应计算的定子机壳外表面的位移、速度、加速度等响应载荷将作为激励源，耦合到 Acoustics ACT 声学计算模块中进行声学计算。
4 声学分析
在 Workbench 的 Analysis System 窗口中选择 Harmonic response，并将 Harmonicresponse 拖拽到 Project Schematic 窗口中如下图所示。
4.1 创建声学模型
Acoustics ACT 声学分析只考虑定子机壳外的噪音传播介质（空气），不考虑电机内部结构。借助 NX 处理模型，创建定子机壳外的声学区域，并切分出几个关键的观察区如下图所示。
4.2 Acoustics ACT 声学分析
具体步骤如下：
1）网格划分
2）定义耦合噪声源
3）噪声计算边界条件施加
4）噪声分析设置并提交求解
4.2.1 声学分析边界条件
4.2.2 材料参数
4.3 声学分析结果
通过 Acoustics ACT 声学计算，得到了各频率下电机定子外空气区域的声压、声压级大小和声速等。
5 结论
1）通过 2D 电磁场仿真计算得到电机定子磁钢上的瞬态电磁力；
2）通过电磁、结构耦合分析，将 2D 电磁场计算得到的磁钢上的瞬态电磁力自动导入Mechanical 进行谐响应分析，得到电机定子外壳部位的位移、速度、加速度等谐响应结果。
3）通过结构、声耦合分析，将电机定子外壳部位的谐响应分析结果自动导入 AcousticsACT 声学计算模块，作为噪声分析的激励，进行声学分析。
最终通过 ANSYS 强大的电磁、振动、噪音耦合场分析功能，完成了直流永磁电机的振动噪音分析，得到了各频率下电机定子外空气区域的声压、声压级大小和声速等。