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电机电磁噪声模拟（上）
2018-06-22 11:23:57· 来源：Idylliker
文章主要简单介绍了怎么对电机的噪声进行模拟，与之前介绍的文章《电驱动的NVH研发过程》的思路有些类似，也是分为三个步骤，只是第一步这里是对电机的电磁场的计算模拟，而之前的文章是多体模拟，这也启发我们针对不同的问题需要进行针对性思考。
综述：这篇文章是一篇很老的文章了（2006），文章的主要作者现在都已经是Herr Prof.了。文章主要简单介绍了怎么对电机的噪声进行模拟，与之前介绍的文章《电驱动的NVH研发过程》的思路有些类似，也是分为三个步骤，只是第一步这里是对电机的电磁场的计算模拟，而之前的文章是多体模拟，这也启发我们针对不同的问题需要进行针对性思考。
每一步都会有相对应的挑战出现，同时也会用到很多有趣的解决方案。
前言：来自电机的干扰振动和噪声已经越来越成为研究的一个重要课题。在进行电机的定义和设计阶段就应该能够清晰的对电机的动态振动和噪声行为有一个清晰的预测，对此我们可以利用数值模拟来进行，借助数值模拟可以实现对电机驱动的不同变种的确定和评价。
文章分为五部分：1.导言；2.电磁场计算模拟；3.机械形变模拟；4.声学模拟；5.总结
1：导言
电机中的主要噪声的产生过程是一个所谓的“multi-physics-problem”。因为首先是电磁作用产生激励力，然后激励力导致机械结构的变形，连续的激励会产生机械振动，在人类可听见的频率范围内的振动即是噪声。
要对噪声进行模拟，其中的核心是对在电磁场下的连续的电磁作用产生的激励的模拟。模拟电机的振动和噪音需要一系列软件程序，这些软件程序需要相互耦合并正确配合使用。
完整的电机噪声模拟过程见下图。
首先是对电机进行电磁的有限元（FEM）建模。利用这一步可以进行一个系统的，控制参数的建模，来实现对不同的产品几何尺寸的变种以及不同的工况下的性能的研究。按照需要，这也可以全面分析与生产有关的公差的影响。
其次利用上一步的计算可以得出电机定子齿上的力的激励，这个激励可以作为结构动力学FE-Modell的输入变量。在这个结构动力学的机械Modell中，可以基于振动的行为研究不同的材料和几何尺寸对整个电机的噪声的影响。
最后将以上获得的各种各样的振动激励在一个声学的边界元素模型（BEM-Modell）中基于声波辐射进行分析。声压，声功率，声强和声速可以作为对声学性能的模拟的分析参数。
2：电磁场计算模拟
FEM模拟可以既可以实现二维也可以实现三维的电磁场问题的模拟，同时静态的，时间谐振的以及瞬态的模拟都没问题。因此首先需要搞清楚，我们在这里要用哪个模型的哪个状态。
考虑一个相对长形的电机，所以其端面效应（Stirneffekt，end effekt）可以忽略。
考虑其磁流向在平面内垂直于轴，所以可以将三维的模型转化为二维模型来考虑。
一般来说，在其它情况下应该使用三维模型。
二维模型相对三维模型有以下优点：
· 模型大小将大大减小（大于十倍的比例缩小）
· 对FEM模型的模拟时间大概与模型中元素的数量的平方成比例，所以由此看来模拟的时间将大大缩短
· 对部件几何尺寸的构建的精确性将大大提高，因为在横截面中可以使用更多的元素。同样的规模如果使用三维模型，其计算量几乎是不可实现的。
这里讲使用带鼠笼式转子的异步电动机（ASM）作为例子来讲解整个过程。另外开关磁阻电机（SRM）也可以用这用二维模型来模拟。ASM的结构见上图。
ASM的电磁模拟将在时域中进行。利用瞬态解算器在一个固定的时间间隔内进行准静态模拟。在每个模拟时间分段内，电机转子转过的角度取决于转速和时间增量（为什么是180？）:
一个与新的转子位置相匹配的定子电流将会被分配到这个模型，前一步的B场解将在解矢量中利用瞬态因子θ来表达。每个时间步骤反过来代表一个静态的场问题。每个时间步骤产生磁矢量电势A，磁感应B来作为ASM的电磁场问题的解决方案（见下图）。
模拟时间分段的数量以及时间增量的选择是取决于接下来要进行的动力学结构和声学模拟的参数。接下来的两个步骤将会在频域中进行模拟。其分辨率和截止频率都是取决于要选择的这两个参数。
从电磁感应分布中除了可以知道转矩的大小还可以计算出电机定子齿上的表面力密度。下图显示了在一个定子齿上的表面力密度的分布。由于电机工作过程中在定子齿上相碰撞的边缘的会产生非常大的力的激励。
激励力的搏动取决于转速，滑差率，定子频率和定子和转子的槽口数。
2056个模拟时间分段都会将每个定子齿上的表面力密度分布转化到频域。下图显示了在定子齿上相撞的边缘的一个元素的应力频谱图。
根据文献，转子槽口1.阶谐振的频率为520 Hz（定子槽口为26），两倍的定子频率为2*f = 97.96Hz，定子槽口的调制谐振的频率为520 Hz ± 97.96 Hz。此外这些频率的倍数也会出现。
每一步都会有相对应的挑战出现，同时也会用到很多有趣的解决方案。
前言：来自电机的干扰振动和噪声已经越来越成为研究的一个重要课题。在进行电机的定义和设计阶段就应该能够清晰的对电机的动态振动和噪声行为有一个清晰的预测，对此我们可以利用数值模拟来进行，借助数值模拟可以实现对电机驱动的不同变种的确定和评价。
文章分为五部分：1.导言；2.电磁场计算模拟；3.机械形变模拟；4.声学模拟；5.总结
1：导言
电机中的主要噪声的产生过程是一个所谓的“multi-physics-problem”。因为首先是电磁作用产生激励力，然后激励力导致机械结构的变形，连续的激励会产生机械振动，在人类可听见的频率范围内的振动即是噪声。
要对噪声进行模拟，其中的核心是对在电磁场下的连续的电磁作用产生的激励的模拟。模拟电机的振动和噪音需要一系列软件程序，这些软件程序需要相互耦合并正确配合使用。
完整的电机噪声模拟过程见下图。
首先是对电机进行电磁的有限元（FEM）建模。利用这一步可以进行一个系统的，控制参数的建模，来实现对不同的产品几何尺寸的变种以及不同的工况下的性能的研究。按照需要，这也可以全面分析与生产有关的公差的影响。
其次利用上一步的计算可以得出电机定子齿上的力的激励，这个激励可以作为结构动力学FE-Modell的输入变量。在这个结构动力学的机械Modell中，可以基于振动的行为研究不同的材料和几何尺寸对整个电机的噪声的影响。
最后将以上获得的各种各样的振动激励在一个声学的边界元素模型（BEM-Modell）中基于声波辐射进行分析。声压，声功率，声强和声速可以作为对声学性能的模拟的分析参数。
2：电磁场计算模拟
FEM模拟可以既可以实现二维也可以实现三维的电磁场问题的模拟，同时静态的，时间谐振的以及瞬态的模拟都没问题。因此首先需要搞清楚，我们在这里要用哪个模型的哪个状态。
考虑一个相对长形的电机，所以其端面效应（Stirneffekt，end effekt）可以忽略。
考虑其磁流向在平面内垂直于轴，所以可以将三维的模型转化为二维模型来考虑。
一般来说，在其它情况下应该使用三维模型。
二维模型相对三维模型有以下优点：
· 模型大小将大大减小（大于十倍的比例缩小）
· 对FEM模型的模拟时间大概与模型中元素的数量的平方成比例，所以由此看来模拟的时间将大大缩短
· 对部件几何尺寸的构建的精确性将大大提高，因为在横截面中可以使用更多的元素。同样的规模如果使用三维模型，其计算量几乎是不可实现的。
这里讲使用带鼠笼式转子的异步电动机（ASM）作为例子来讲解整个过程。另外开关磁阻电机（SRM）也可以用这用二维模型来模拟。ASM的结构见上图。
ASM的电磁模拟将在时域中进行。利用瞬态解算器在一个固定的时间间隔内进行准静态模拟。在每个模拟时间分段内，电机转子转过的角度取决于转速和时间增量（为什么是180？）:
一个与新的转子位置相匹配的定子电流将会被分配到这个模型，前一步的B场解将在解矢量中利用瞬态因子θ来表达。每个时间步骤反过来代表一个静态的场问题。每个时间步骤产生磁矢量电势A，磁感应B来作为ASM的电磁场问题的解决方案（见下图）。
模拟时间分段的数量以及时间增量的选择是取决于接下来要进行的动力学结构和声学模拟的参数。接下来的两个步骤将会在频域中进行模拟。其分辨率和截止频率都是取决于要选择的这两个参数。
从电磁感应分布中除了可以知道转矩的大小还可以计算出电机定子齿上的表面力密度。下图显示了在一个定子齿上的表面力密度的分布。由于电机工作过程中在定子齿上相碰撞的边缘的会产生非常大的力的激励。
激励力的搏动取决于转速，滑差率，定子频率和定子和转子的槽口数。
2056个模拟时间分段都会将每个定子齿上的表面力密度分布转化到频域。下图显示了在定子齿上相撞的边缘的一个元素的应力频谱图。
根据文献，转子槽口1.阶谐振的频率为520 Hz（定子槽口为26），两倍的定子频率为2*f = 97.96Hz，定子槽口的调制谐振的频率为520 Hz ± 97.96 Hz。此外这些频率的倍数也会出现。
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