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基于MANATEE的电机电磁振动噪声源识别定位

2019-03-10 11:52:17·  来源：天源科技公众号  作者：何彪 王少勃  
　
摘要电机的电磁振动噪声越来越受到电机设计工程师的重视。本文以MANATEE软件为分析平台，分析一台 80k W车用永磁同步电机的电磁噪声源。首先，根据软件仿真计算
摘要
 
电机的电磁振动噪声越来越受到电机设计工程师的重视。本文以MANATEE软件为分析平台，分析一台 80k W车用永磁同步电机的电磁噪声源。首先，根据软件仿真计算得到电机电磁振动噪声频谱图；其次分析电机频谱图进而得到电机电磁力波噪声源，由于电磁噪声力波源并不能为优化提供方向。因此，本文利用MANATEE软件噪声源识别定位算法，实现噪声源在磁密层次的识别、定位。通过上述过程可以为电机电磁噪声提供定向优化。

前言
 
随着永磁同步电机的广泛应用，对其性能的要求越来越高，尤其是对电机振动及噪声性能的高要求越来越迫切。对此，国内外学者以及各研究机构对优化电机振动及噪声性能做了大量研究，分析其产生过程，探索解决方法。电机的振动噪声是一个复杂的多物理场问题，涉及电磁、力学、结构和声场等多个领域。国内外对电机电磁噪声的研究方法主要有解析法、有限元法和实验法。
 
MANATEE(Magnetic Acoustic Noise Analysis Tool for Electrical Engineering)是法国EOMYS公司开发的电机振动噪声仿真设计工具，是全球唯一一款专门应用于电机电磁-振动-噪声耦合分析设计工具。专注于计算由麦克斯韦电磁力波引起的振动噪声。
 
得益于创新性的电磁-振动-噪声耦合算法，MANATEE既可以在电机初始概念设计阶段快速提供可行性方案评估，亦可以在详细设计阶段提供高精度的电机振动噪声分析； MANATEE可以在设计阶段帮助工程师快速评估电机的NVH问题，优化电机电磁、结构设计。也可以应用于出厂电机的噪声故障诊断。
本文以MANATEE软件为分析平台，分析一台 80k W车用永磁同步电机的电磁噪声源。首先，根据软件仿真计算得到电机电磁振动噪声频谱图；其次分析电机频谱图进而得到电机电磁力波噪声源，由于电磁噪声力波源并不能为优化提供方向。因此，本文利用MANATEE软件噪声源识别定位算法，实现噪声源在磁密层次的识别、定位。通过上述过程可以为电机电磁噪声提供定向优化。
 
电机电磁振动噪声频谱及电磁力波源分析
 
本文以一台48槽8极电机为例，通过MANATEE软件实现电机电磁振动噪音的仿真、计算。表1所示为电机的主要结构参数。
MANATEE是专业的电机噪声分析软件，可通过软件参数化模板，快速建立电机电磁噪声分析模板，无需复杂的几何画图等，建立电机模型完成后如下图所示：
通过MANATEE软件计算转速范围500-10000（rpm）的电机电磁振动噪声。仅需数分钟即可对电机电磁噪声进行准确评估。图3所示为电机变速频谱声压力波源识别图，从图中可知有3个转速点电机电磁噪声较大，分别由电磁力波0阶、8阶引起。
图4为电机阶次分析图，从图中可知电机在电磁噪声峰值处主要是由电磁力波0阶12倍频、8阶10倍频、8阶14倍频引起的。
图5为电磁力波及模态分析图，由图可知电机在电磁力波0阶12倍频、8阶10倍频、8阶14倍频与定子铁芯0、8阶模态固有频率比较接近、因此会发生共振，放大了噪声。
 
电磁力波磁密源识别定位
 
通过上节分析可知，电磁噪声力波源主要为0阶12倍频、8阶10倍频、8阶14倍频，但是并不能为优化提供方向，因此本节通过利用MANATEE噪声源识别定位功能分析得出电磁力波的产生源，为设计工程师提供电机电磁噪声优化的方向。
 
在MANATEE软件中输入噪声源识别命令，0阶12倍频、8阶10倍频、8阶14倍频噪声识别结果为：
 
0阶12倍频识别结果，其中B1={磁导频率，磁导阶数}·{转子磁势频率，转子磁势空间阶数}；B2={磁导频率，磁导阶数}·{定子磁势频率，定子磁势空间阶数}：
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相互作用就会产生电磁力波，从上述分析可知，0阶12倍频主要是由转子的11、13阶次谐波，定子的基波、11、13、23、25阶次谐波以及磁导1、2、3、4、5阶次谐波相互作用产生。
 
应用相同的方法分析可知8阶10倍频电磁力波主要由由转子的9、11阶次谐波，定子的基波、11、13、23、25阶次谐波以及磁导1、2、3、4、阶次谐波相互作用产生；8阶14倍频电磁力波主要由由转子的13、15阶次谐波，定子的基波、11、13、23、25阶次谐波以及磁导1、2、3、4、阶次谐波相互作用产生。
 
结论
 
通过MANATEE软件能够分析噪声的磁密谐波产生源头，包括转子磁势、磁导、定子磁势；转子磁势、磁导；定子磁势、磁导相互作用产生噪声电磁力波源，为电机设计工程师提供了电机噪声优化的方向。
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