基于ANSYS Workbench平台的电机电磁噪声仿真分析

1.电磁模型建立与分析

如图1所示为一个电机模型，电机的额定输出功率为550W，额定电压为220V，极对数为4，定子齿数为24个，转子的转速为1500rpm，求电磁振动产生的噪声大小。

本算例使用的模块如下：

RMxprt模块：建立电机类型；

Maxwell模块：2D瞬态电磁场计算；

Structural 模块：3D谐响应分析计算；

Acoustics ACT模块：噪声计算

注：Acoustics ACT模块需要单独安装，请用户到官方 站上自行下载。

图1 电机模型

电机的电路模型如图2所示。

图2 电机电路模型

1）启动Workbench。在Windows XP下单击“开始”→“所有程序”→ANSYS15→Workbench15命令，即可进入Workbench主界面。

2）保存工程文档。进入Workbench后，单击工具栏中的

按钮，将文件保存为“zhendongzaosheng.wbpj”，单击Getting Started窗口右上角的（关闭）按钮将其关闭。

3）双击Toolbox→Analysis System→RMxprt模块建立项目A，如图3所示。

4）双击项目A中的A1栏进如RMxprt电机设置平台，如图4所示。

图3 RMxprt模块 图4 RMxprt平台

5）依次选择菜单RMxprt→Machine Type，在弹出的电机类型选择对话框中单击Generic Rotating Machine选项，单击OK按钮，如图5所示。

6）单击Project Manager→RMxprt→Machine选项，在下面出现属性设置对话框中作如下设置：

在Source Type栏中选择AC选项；

在Structure栏中选择Inner Rotor选项；

在Stator Type栏中选择SLOT_AC选项；

在Rotor Type栏中选择PM_INTERIOR选项，如图6所示。

图5 RMxprt模块 图6 RMxprt平台

7）单击Project Manager→RMxprt→Machine→Stator选项，在下面出现属性设置对话框中作如下设置：

在Number of Poles栏中输入4；

在Number of Slots栏中输入24；

在Slot Type栏中单击1按钮，此时弹出Select Slot Type对话框；

在对话框中单击2按钮，并单击OK按钮，如图7所示，此时Slot Type栏中的按钮将显示为2。

8）单击Project Manager→RMxprt→Machine→Stator→Core→Slot选项，在下面出现属性设置对话框中作如下设置：

取消Auto Design选项；

在Hs0栏中输入0.5，单位保持默认即可；

在Hs1栏中输入1；

在Hs2栏中输入8.2；

在Bs0栏中输入2.5；

在Bs1栏中输入5.6；

在Bs2栏中输入7.8，如图8所示。

图7 Stator设置 图8 Slot设置

9）单击Project Manager→RMxprt→Machine→Stator→Core选项，在下面出现属性设置对话框中作如下设置：

在Outer Diameter栏中输入120，单位保持默认即可；

在Inner Diameter栏中输入75；

在Length栏中输入65；

在Stacking Factor栏中输入0.95；

在Steel Type栏中单击按钮；

在材料选择对话框中选择M19_24G_2DSF0.950材料单击确定按钮，如图9所示。

图9 Core设置

10）单击Project Manager→RMxprt→Machine→Stator→Winding选项，在下面出现属性设置对话框中作如下设置：

在Winding Layers栏中输入2；

在Winding Type栏中选择Whole-Coiled选项；

在Parallel栏中输入1；

在Conductor Per栏中输入52；

在Coil Pitch栏中输入5；

在Number of Strands栏中输入1；

在Wire Size栏中选择Diameter设置导线尺寸。

在Conductor Type中单击按钮选择Copper材料单击确定按钮，如图10所示。

切换到End/Insulation选项卡中，取消Input Half-turn length选项；

在Correction中输入1；

在Slot Liner栏中输入0；

在Layer Insulation栏中输入0；

在Limited Fill Factor栏中输入0.75；

图10 Winding设置

11）单击Project Manager→RMxprt→Machine→Rotor选项，在下面出现属性设置对话框中作如下设置：

在Number栏中输入4，如图11所示；

12）单击Project Manager→RMxprt→Machine→Rotor→Core选项，在下面出现属性设置对话框中作如下设置：

在Outer Diameter栏中输入74；

在Inner Diameter栏中输入26；

在Length栏中输入65；

在Stacking Factor栏中输入0.95；

在Steel Type栏中选择M9-24G材料，如图12所示；

在Pole Type栏中选择3。

图11 Rotor设置 图12 Core设置

13）单击Project Manager→RMxprt→Machine→Rotor→Core→Pole选项，在下面出现属性设置对话框中作如下设置：

在D1栏中输入73；

在O1栏中输入1；

在O2栏中输入6；

在B1栏中输入3；

在Rib栏中输入12；

在HRib栏中输入4；

在Layers栏中输入1；

在Magnet Thickness栏中输入3.75；

在Magnet Width栏中输入36.835；

在Magnet Type栏中选择XG196/96材料，如图13所示。

14）单击Project Manager→RMxprt→Machine→Rotor→Shaft选项，在绘图区域将出现转子定子模型，在下面出现属性设置对话框中作如下设置：

在Frictional Loss栏中输入12；

在Reference Speed栏中输入1500，如图14所示。

图13 Pole设置 图14 Shaft设置

15）选择菜单RMxprt→Analysis Setup→Add Solution Setup子菜单，在出现的Properties对话框中作如下设置：

选择Enabled选项；

在Operation栏中选择Motor选项；

在Load Type栏中选择Const Torque选项；

在Rated Output栏中输入550；

在Rated Voltage栏中输入220；

在Rated Speed栏中输入1500；

在Operating栏中输入75，单击确定按钮，如图15所示。

16）选择菜单RMxprt→Design Settings子菜单，在出现的RMxprtDesign Settings对话框中作如下设置：

选择Enabled选项，单击确定按钮，如图16所示。

注：Maxwell程序的缺省设置为使用最小几何数据格式，此处设置为到处全模型的数据。

图15 求解器设置 图16 RMxprt设置

17）选择菜单RMxprt→Analysis All子菜单，进行计算，当计算结束后，通过RMxprt→Analysis Setup→Create Maxwell Design子菜单将RMxprt模型导出到Maxwell中，此时将启动脚本语言进行数据传递，传递完成后如图17所示。

图17 数据传递

18）选择菜单RMxprt→Analysis All子菜单，进行计算，当计算结束后，通过RMxprt→Analysis Setup→Create Maxwell Design子菜单将RMxprt模型导出到Maxwell中，此时将启动脚本语言进行数据传递。

19）右键选择Stator，在弹出的快捷菜单中依次选择Edit→Delete命令，将Stator几何删除，如图18所示。

20）依次选择菜单Modeler→Import子菜单，在弹出的如图19所示对话框选择文件名为
assm_LumpedForceMapping_stator.dxf的几何文件。

图18 删除几何 图19 导入几何

21）选择导入几何中的面积最大的几何体，按住键盘上的Ctrl键，选择所有导入的几何体，依次选择菜单中的Modeler→Boolean→Subtract命令，此时几何实体如图20所示。

22）选中刚操作完的几何实体，将其材料属性设置为M19_24G_2DSF0.950。

23）将其名字命名为Stator1。

24）依次选择菜单Draw→Circle命令创建如图21所示的几何，圆的原点为（0，0，0），半径为39.54mm。

图20 几何实体 图21 创建圆

25）选中Stator1和Circle1两个几何，单击工具栏中的复制/粘贴命令，此时将出现另外两个几何Stator2和Circle2。

26）选中Stator1然后再选中Circle1，依次选择菜单中的Modeler→Boolean→Subtract命令。

27）选中Stator2然后再选中Circle2，依次选择菜单中的Modeler→Boolean→Intersect命令。

28）将操作后剩下的几何命名为ToothTips。

29）选中ToothTips几何，依次选择菜单中的Modeler→Boolean→Separate命令，将几何进行分割如图22所示。

图22 模型分割

30）双击OuterRegion→CteateUserDefinedPart命令，在弹出的如图23所示对话中的DiaYoke栏中将120更改为140，并单击确定按钮。

图23 求解区域

31）选择Rotor几何，依次选择菜单中的Maxwell2D→MeshOperations→Assign→On Selection→Length Based命令，并将其命名为Length_Rotor，设置最大单元长度为0.5mm，单击确定按钮。

32）选择Stator1几何，依次选择菜单中的Maxwell2D→MeshOperations→Assign→On Selection→Length Based命令，并将其命名为Length_Stator，设置最大单元长度为4mm，单击确定按钮。

33）选择所有ToothTips几何，依次选择菜单中的Maxwell2D→MeshOperations→Assign→On Selection→Length Based命令，并将其命名为Length_ToothTips，设置最大单元长度为0.25mm，单击确定按钮。

34）选择Rotor几何外边界线，依次选择菜单中的Maxwell2D→MeshOperations→Assign→Surface Approximation命令，并将其命名为SurfApprox_Rotor，设置最大曲面分割长度为0.001mm，单击确定按钮。

35）选择所有ToothTips几何，依次选择菜单中的Maxwell2D→MeshOperations→Assign→Surface Approximation命令，并将其命名为SurfApprox_ToothTips，设置最大曲面分割长度为0.001mm，单击确定按钮。

通过以上操作后， 格设置将如图24所示。

图24 格设置

36）双击Analysis→Setup1，在弹出的如图25所示的对话框中作如下设置：

在General选项卡中的Stop time栏中输入0.04；

在Time step栏中输入0.002，单击确定按钮。

37）依次选择菜单Maxwell2D→Excitations→External Circuit→Set Minimum Time Step命令，在弹出的如图26所示的对话框中作如下设置：

将Minimum Time Step栏中的数值改为0，单击OK按钮。

图25 设置求解器类型 图26 初始值

38）开启谐响应力学计算命令。依次选择菜单Maxwell2D→Enable Harmonic ForceCalculation命令，在弹出的如图27所示的对话框中勾选所有ToothTips几何。

图27 电磁力耦合

39）求解计算。右键单击Project Manager中的Analysis→Setup1命令，在弹出的快捷菜单中选择如图28所示的Analyze命令，进行求解计算，求解需要一定的时间。

图28 求解模型

40）在Results选项卡中单击右键，如图29所示，依次选择Create Transient Report→Rectangle Plot，在弹出的对话框的Category中选择Winding，在Quantity栏中选择三个Current，并单击New Report按钮。

图29 后处理

41）显示三项电流变化曲线图如图30所示。

图30 电流变化图

42）如图31所示为不同时刻的转矩图。

图31 转矩图

43）关闭Maxwell平台，回到Workbench平台。

2.结构振动分析环境

1）如图32所示谐响应分析模块。

图32 创建电磁分析环境

2）安装ACT噪声计算模块。依次选择菜单Extensions→InstallExtension命令，在弹出的如图33所示打开对话框中选择
ACT_Acoustics_R150_V40.wbex文件。

图33 添加分析模块

3）依次选择Extensions→Manage Extensions命令，在弹出的如图34所示Manage Extensions对话框中选中ExtAcoustics选项，单击Close按钮。

图34 载入分析模块

4）右键选择项目B中的B3（Geometry），在弹出的如图35所示快捷菜单中导入3DStator.agdb格式的文件。

5）单击A4栏不放手直接拖拽到B5栏中，如图35所示。

6）右键选择A4栏，在弹出的如图36所示的快捷菜单中选择Update命令。

图35 数据传递 图36 更新数据

7）双击B3进入到几何建模平台——DM平台中。

选择所有内侧面（共计48个）然后创建Named Selection并命名为ToothTips，如图37所示。

图37 创建命名

8）双击B4进入到Mechanical平台中。

9）在Project→Model（B4）→Mesh命令上单击右键，在弹出的快捷菜单中选择GenerateMesh命令，如图38所示。

10）如图39所示为划分完成后的 格模型。

图38 格设置 图39 格模型

本算例将 格划分较粗糙，实际工程中需要对 格进行细化，本算例只在演示 格划分过程。

11）设置计算参数。如图40所示，在。Analysis Settings中做如下设置：

在Range Minimum栏中输入0Hz；

在Range Maximum栏中输入2500Hz；

在Solution Intervals栏中输入25；

在Solution Method栏中选择Full选项；

在Stress栏中选择Yes选项；

在Strain栏中选择Yes选项；

在Calculate Reaction栏中选择Yes选项；

在Save MAPDL db栏中选择Yes选项。

12）如图41所示，添加Insert→FixedSupport命令，在Scoping Method栏中选择Named Selection选项，在NamedSelection栏中选择Bolts选项。

图40 分析设置 图41 边界条件

13）创建坐标系，在如图42所示的设置窗口中进行如下设置：

在Type栏中选择Cylindrical选项，创建圆柱坐标系；

在Origin X和Origin Y栏中输入0；

在Orinin Z中输入1.5e-002；

在Axis栏中选择X；

在Define By栏中选择Global X Axis选项；

在下面的Axis栏中选择Y，其余默认即可。

图42 设置坐标系

14）如图43所示，右键选择Imported RemoteLoads命令，在弹出的快捷菜单中选择GenerateRemote Loads命令，经过一段时间计算，映射完后的力如图44所示，并将所有转矩载荷抑制掉。

图43 导入载荷 图44 力图

15）求解计算。在Transient（B6）中的Solve命令上单击右键，在快捷菜单中选择Solve命令进行求解计算。

16）位移云图。右键单击Solution命令，在弹出的快捷菜单中选择Insert→Deformation→Total命令，添加位移云图，然后执行计算即可得到如图45所示的位移响应云图。

17）应力云图。同样方式可以得到应力分布云图，如图46所示。

图45 位移云图 图46 应力云图

18）谐响应曲线如图47所示。

图47 谐响应图

19）相角曲线显示如图48所示。

图48 相角曲线图

20）各个频率柱状图与数值，如图49所示。