电机电磁噪声的联合仿真计算方法

鲁洪，周书堂

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 中国人民解放军驻三三0三代表室，武汉 430200）

0 引言

电机噪声分由三部分组成：电磁噪声，机械噪声和空气动力性噪声，电磁噪声和机械噪声占主导地位。

电磁噪声是由气隙磁场(主要是谐波磁场)，引起磁极与机座变形和周期性振动产生的，其电磁噪声频率主要为电枢齿频率和电枢旋转频率。电磁噪声是电机噪声的主要成份，它通过磁轭向外传播。气隙磁波作用在定子铁心齿上，产生径向和切向磁力两个分量，使定子铁心产生的振动变形的径向分量.，是电磁噪声的主要来源[1]。使齿根部弯曲产生局部变形的切向分量是电磁噪声的次要来源。当径向电磁力波与定子的固有频率接近时，就会引起共振，使振动与噪声大大增强。

此外，由于定、转子的偏心，或磁路的不对称引起磁通分配的不对称，出现一边受力大、一边受力小的现象，产生了单边磁拉力，也会引发振动产生电磁噪声。

电磁噪声大部分是定子振动固体声向空气辐射出来，其特性如下：

电磁噪声都是单一频率的，对某一台电机来说，在某一转速下是固定不变的，因此，电磁噪声构成的频谱是不连续的，它包含一个或多个单峰的形式。电磁噪声是由气隙中谐波磁场相互作用引起的，但其强弱则还与定子的动态刚度、固有振动频率和声学特性有关，计算上有较大难度和工作量，因此，目前通常还是通过测试方法来测定它，并采取改进设计和制造工艺来降低它[2]。

电磁噪声频率主要为电枢齿频率和电枢旋转频率，其定义如下：

1） 电枢齿频率

式中z：电枢槽数；

n：转速，r／min；

K：正整数，1，2，3···。

2） 电枢旋转频率

式中：p：直流电动机极对数[3].。

电磁噪声涉及到电磁场、结构、声场三个领域，在计算上有较大的难度，过去主要通过测试手段，或者通过电磁力的解析解将电磁载荷加载到结构上，目前，随着CAE技术的进步，已经可以实现通过数值解的方式来计算电磁噪声[4]。其基本步骤如下通过电磁软件计算得到运行工况中电磁力的数值解；通过网格差值的方式将电磁体积力加载到结构模型中；使用声学软件 LMS Virtual.Lab，利用加载的电磁力载荷，进行声-振耦合计算，得到电磁噪声的数值解。

1 基于联合仿真的电机电磁辐射噪声的计算方法

1.1 计算流程和使用软件说明

计算过程中使用了电磁学软件JMAG和声学软件LMS Virtual.Lab。通过Virtual.Lab与电磁学软件JMAG的接口，可以直接获取JMAG计算得到的电磁力，并将其转化为频域下的结构载荷。并进行后续的振动-噪声计算[5]。

计算的整个过程都可以在软件内部完成，不需要二次开发。在传递电磁力载荷时，能够自动考虑网格尺寸差异的影响，保证电磁力在传递前后是守恒的。计算流程见图1。

1.2 电磁力的计算

使用 JMAG电磁学软件计算工况下的电磁力。计算得到的电磁力是随空间和时间分布的交变力。

电磁学模型如下所示，电磁模型主要包括电机部分的转子和定子部分。JMAG计算得电磁力储存在电磁模型的各个节点之中，在JMAG中设定运行工况，计算得到电磁载荷。一般需要计算一个整周或更多的载荷历程。

需要注意的是，将JMAG计算的电磁力导出为LMS Virtual.Lab能够识别的格式（.unv），需要JMAG 11.1版本的软件。

1.3 电机模态的计算

电机的电磁噪声除了与电机气隙磁场产生的力波频率、幅值和阶数有关之外，还取决于电机的共振状态，与电机的固有模态有很大关系，因此研究电机的固有模态是非常重要的。

电机的转子结构的重力和永磁体与转子之间的磁拉力对于定子结构而言属于静态载荷，在静态载荷作用下，结构的应力状态会影响到它的刚度矩阵，进而影响其固有频率。这一点是非常重要的，尤其是对于文中所研究电机的薄壳结构。为了简化分析过程，这里不需要对转子结构进行建模，只建立了非旋转部件的结构模型，即包括了电机定子和变速箱的模型。

模态计算到6400 Hz，共175阶。如下图4所示。

1.4 基于Virtual.Lab的电磁噪声预测

在Virtual.Lab中，计算电磁噪声的流程如图5所示。

在 LMS Virtual.Lab中可以自动完成网格插值匹配和时频域转换的工作，将电磁模型上的时域力装换为结构有限元模型上的频域加载力。

基于传递过来的电磁力载荷，结合计算得到的结构模态。即可基于声学有限元方法进行声-振耦合计算，得到电磁辐射噪声。

计算得到的电机表面加速度曲线如图 7所示。加速度频谱展示出了跟激励谱相同的基频和倍频特性。

首先需要导入 JMAG输出的电磁力文件。JMAG输出的原始载荷是加载在电磁模型上的，并且是一个瞬态载荷。在计算电磁力引起的结构振动和噪声时，需要将力转移到结构模型上，并做时频域转换（振动噪声一般都在频域空间分析）。

2 结论

基于Virtual.Lab和JMAG软件，实现了电磁-结构-声三场耦合的电机电磁噪声计算。由于计算过程中简化假设较少，可以得到比传统的在结构上分块加载等效电磁力的方法更高的计算精度。

[1]周启章. 交流异步电机电磁噪声的若干问题. 电机技术, 1993.

[2]赵文辉. 变频电机噪声分析与计算. 防爆电机,2011.

[3]唐剑飞. 多相异步电机电磁噪声研究. 船电技术,2012, (6):12-14.

[4]叶娟. 同步电机噪声抑制设计. 电机与控制应用,2007.

[5]侯正武. 消除电机轴承异常声的探讨. 电机技术,2000.