ANSYS Maxwell

2019/4/10 16:06:46

1 前言

      電機振動與噪聲一直是困擾工程師的難題,嚴(yán)重時可成為決定產(chǎn)品能否滿足標(biāo)準(zhǔn)限值的瓶頸和能否穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。電機振動和噪聲的原因有很多,永磁同步電機在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生機械振動、空氣動力學(xué)噪聲和電磁噪聲。機械振動、空氣動力學(xué)噪聲已研究出了多種解決方案,但電磁噪聲無法徹底消除,是很多永磁同步電機的主要振動噪聲源。電磁噪聲是由電機氣隙磁場中各次諧波磁場作用于電機鐵心產(chǎn)生的徑向電磁力形成的。如果電磁力的某些階次諧波頻率與電機的固有頻率相近,則會產(chǎn)生共振,從而產(chǎn)生較大的振動和噪聲,甚至損壞電機。為了在競爭中立于不敗之地,控制成本的同時,設(shè)計人員在研發(fā)初期就應(yīng)該意識到電磁振動噪聲問題,妥善處理力波的階次和氣隙磁密幅值,從源頭上降低電磁振動的響應(yīng)量。

      氣隙空間的磁場是一個旋轉(zhuǎn)力波,除了基波分量外,還有高次諧波分量。一般情況下,轉(zhuǎn)子剛度相對較強,定子鐵心的徑向變形是主要的。定子變形后引起周圍空氣振動,從而產(chǎn)生噪聲。對于永磁同步電機而言,空載和負載時,電磁噪聲的主要成分頻率是不變的,而幅值是由勵磁線圈產(chǎn)生的基波磁場與電樞反應(yīng)引起的磁場通過矢量合成的。

2 徑向電磁力

電磁力波本質(zhì)上是應(yīng)力,單位是N/m2。根據(jù)Maxwell應(yīng)力張量法,定子鐵心單位面積上的徑向電磁力與切向電磁力可寫為如下表達式:

F_rad=(B_r^2-B_t^2)/(2*μ_0 )≈(B_r^2)/(2*μ_0 ) (1)       F_(tan )=(B_r*B_t)/μ_0 (2)

其中,μ_0是真空磁導(dǎo)率。由式(1)、(2)可以看出,F(xiàn)_rad、F_(tan )與磁感應(yīng)強度的徑向及切向分量、真空磁導(dǎo)率有關(guān)。因徑向磁密遠大于切向磁密,式(1)中也經(jīng)常略去切向分量的平方項。磁感應(yīng)強度為Maxwell的默認輸出量,但其徑向及切向分量需要通過Caculator編輯輸出。

3 徑向及切向磁密求取方法

以一臺4極24槽表貼式永磁同步電機為例,基于ANSYS Maxwell R19.1 版本,模型如下圖所示。

 湃??萍?,ANSYS Maxwell

(3)電機仿真模型

電機仿真求解時使用的是笛卡爾坐標(biāo)系,按照正常的仿真流程對電機求解以后,在Caculator中進行后處理,轉(zhuǎn)化公式為B_r=B_x*cos?(θ)+B_y*sin?(θ)      (4),θ是柱坐標(biāo)與x軸的夾角,Bx是磁感應(yīng)強度的x軸分量,By是磁感應(yīng)強度的y軸分量。步驟如下:                    

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(5)打開Calculator

          打開Caculator后,場計算器如圖(5)所示,依圖(5)(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)標(biāo)識序號的順序,將徑向磁密的表達式寫入Caculator 棧內(nèi)。

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(5)磁感應(yīng)矢量

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(6)求取磁感應(yīng)矢量x分量

         湃睿科技,ANSYS Maxwell

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(7)求取cos(θ)                

(8)求取B_x*cos?(θ)

   類似的步驟求取B_y*sin?(θ),如下圖示(9)

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(9)求取B_y*sin?(θ)           

(10)將 B_x*cos?(θ)與B_y*sin?(θ)相加獲得B_r

         獲得B_r的表達式后,按圖(11)把B_r表達式存入Named Expressions :

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(11)將B_r的表達式存入Named Expressions

         點擊OK確認后,如圖(12)所示,Named Expressions欄將出現(xiàn)如圖(13)所示的B_r及其表達式。

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(12)編輯的表達式存入棧內(nèi) 

類似的運算和操作步驟獲得B_t=B_y*cos?(θ)-B_x*sin?(θ) (13)

4對需要求解位置做標(biāo)記 在氣隙R=37.2mm處畫圓線,如下圖(14)。

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圖 (14) 求解位置處圓線


5 徑向電磁力密度求解設(shè)置

氣隙處徑向電磁力密度是時間和空間的函數(shù),在常規(guī)的求解設(shè)置之外,需增加如下圖(15)、(16)的設(shè)置:

  湃??萍?,ANSYS Maxwell

(15) 打開Setup界面,點擊Expression Cache,點擊Add

湃??萍?,ANSYS Maxwell

(16)力密度輸出設(shè)置

點擊完(16)Add Calculation 后,如下圖示,Expression Cache 中增加了一項,如下(17)所示。

湃睿科技,ANSYS Maxwell 

(17)力密度輸出設(shè)置

   

6 力密度輸出步驟

結(jié)合空載磁感應(yīng)強度分布圖(18)可看出,仿真出現(xiàn)4對磁感應(yīng)閉合線,仿真模型是正確的。

湃??萍迹珹NSYS Maxwell    

(18)空載磁感應(yīng)強度分布

后處理通常有Field overlays和Results 2種,力密度在Results中的Field reports選項中如下圖(19)、(20)所示:

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(19)力密度輸出

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(20)力密度輸出

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(21)力密度輸出

 可以看出,如圖(21)、(22)所示,空載時,圓周上的徑向磁密、徑向力波具有明顯的周期性。

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(22)力密度輸出

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(23)力密度輸出

類似的,可以求出某點力波隨時間的變化關(guān)系:

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(24)力密度輸出


 以上輸出了某一時刻空間的徑向力波、某一點任意時刻的徑向力波,如果查看徑向力波同時與空間、時間的關(guān)系,可以采用3D Retangle輸出方式:

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(25)3D力密度輸出

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(26)3D力密度輸出

湃??萍迹珹NSYS Maxwell


(27)3D力密度輸出

7 總結(jié)

本次仿真給出了空載徑向力波輸出的具體步驟,在次基礎(chǔ)上還可以進行其他工況的分析。進一步進行傅里葉分解,進一步在頻域查看分析力波幅值和力波階數(shù)對電磁噪聲的影響。

審核編輯(
王靜
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