陈川礼 卓祖德 李 庆

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前，电机产品开发过程中经常遇到的噪声问题，其分析手段和解决思路主要是参考一些现有的理论文献资料和借鉴一些资深从业者的过往经验，缺乏有效科学的专业分析技术手段，无法从理论层面提前预警并进行规避设计。

本文运用ANSYS 软件的Workbench 的Harmonic Response 谐响应分析模块与Maxwell 2D（3D）电磁场有限元仿真分析，对电机从电磁与机械设计进行一套耦合运算仿真，并与验证在特定电磁方案输出激励源在不同机械结构参数下的噪音结果数据进行对比验证。根据对电机的震动噪声仿真分析结果，可以通过优化电磁方案和结构设计改良，在制作方案样机前提前输出噪音规避方案，不但可以缩短开发周期，同时能最大程度上减少产品开发成本。

1 ANSYS 仿真分析

仿真平台ANSYS Workbench 是能实现结构静力学、模态、谐响应、振动等仿真，其独特的项目图形化界面把整个仿真过程紧密结合在一起，完成复杂的多物理场耦合分析，利用电场、电磁场、热场、结构等多个物理场交互耦合运算分析，在产品设计阶段提前发现问题，利用多个变量参数仿真需求最优设计方案，最大成都的节约开发资源。

1.1 电磁仿真

本文内容是利用电磁仿真软件Maxwell（2D）对电机进行电磁仿真分析，计算设定参数后电磁方案的性能输出，并对其各相绕组的反电动势进行傅里叶求解，分析各奇数次谐波含量占比以及对应频率，含量占比高的奇次谐波会反馈到电机转矩脉动变化以及对应频率的转矩谐波含量占比。电机作为动能输出的主运动部件，即为整机振动噪声的主激励源，其转矩输出的激振频率和谐波分量直接影响整机在固有频率下共振放大情况。

1.2 谐响应分析

谐响应分析是利用扫频分析，分析电机的固有频率以及电机在电磁激振谐波的简谐载荷作用下的响应，得出产品的共振频率和不同模态下的响应振幅大小，从而指导设计人员通过优化结构方案、增加减震措施等预案，确保产品能适应不同谐波频率下的谐振载荷。谐响应分析的载荷是随时间正弦变化的简谐载荷，电机输出的激振是以基波加不同含量占比奇次谐波分量的载荷，符合谐响应分析要求。

2 交流电机建模仿真

运用Maxwell 软件对交流电机电磁进行2D 建模，计算特定电磁方案参数下的电机性能，分析输出的转矩脉动大小以及反电动势奇次谐波含量。

运用Workbench 软件对交流电机电机整体结构模型进行建模，先分析模型各阶模态，求解其产品各阶模态下的固有频率和振型；根据产品的实际安装结构与受力情况，设置施加载荷和约束，最后运用Harmonic Response 谐响应分析模块进行谐响应分析，求解模型各阶响应频率、相位角以及形变，并比对电磁仿真的谐波频率是否相近，从而评估是否会共振并产生电磁噪音。

2.1 Maxwell 电磁方案仿真

本次讲解案例为常规标准电容运转异步电动机，为了快速建模并缩短运算时间，先通过RMxprt 模块快速建立电机模型，再将运算结果直接导入MAwell（2D）模块，设置多个变量（尺寸、质量、密度等物理参数）进行参数化的有限元方针分析。RM 模型转换2D 模型如图1 所示。

图1 RM 模型转换2D 模型

计算各项绕组反电动势，并对反电动势进行傅里叶求解，主相反电动势以及傅里叶运算求解结果如图2 所示。分析各奇数次谐波含量占比，其中本案例方案的25次和27 次谐波含量约4.53 %、3.9 %，占比高，其对应频率为1 037.5 Hz、1 120.5 Hz。是导致转矩脉动放大的主因，从而引起高频激振。

图2 主相反电动势以及傅里叶运算求解结果

2.2 Workbench 谐响应分析

1）按照电机实际组装结构创建几何模型（图3 剖视图），并设置各零件材料属性（见表1）。同时根据实际安装要求设置固定约束和位移约束（无约束条件，其模态仿真输出1-6 阶模态为自由模态，无参考意义）。

图3 电机模型

表1 交流电机的材料参数

2）模态分析与后处理：求解1-10 阶模态下的结构固有频率和振型（本案例的各阶模态固频见图4），本案例的一阶模态固频（1 016.7 Hz）接近电磁仿真的25次谐波激振频率，极易产生共振放大和噪音。

图4 本案例的各阶模态固频

3）对一阶模态振型分析，其最大形变部位集中在转轴轴头，而电机作为输出动能部件，转轴作为传导机械能的核心传动纽带，其激振形变大将直接导致共振振幅和噪音放大。一阶模态下形变云图如图5 所示。

图5 一阶模态下形变云图

4）施加载荷：电机通电工作中，其定子铁芯承受轴向和径向磁拉力，载荷设置在定子铁芯内圆等下施加200 N 切向力。

5）谐响应计算及结果后处理：求解各节点随频率的变化曲线和各阶响应角及形变（如图6）；本案例模型在1 025 Hz 出现形变量突变，与电磁仿真的1 037.5 Hz激振谐波频率相近。

图6 变化曲线、各阶响应频率及相位角

3 优化设计

通过调整零部件材料属性，改变其自身固有频率并能承受住特定频率的简谐载荷，避免发生结构共振和噪声。分析模型形变，转轴轴头为最大形变部位，故将转轴材料弹性模量调整到3.1E+11 Pa。

各阶模态固有频率发生变化，同等约束条件下，一阶模态固频增大到1 304.6。同时对其谐响应分析，在3 000 Hz 以下未出现谐响应突变，有效的规避了1 037.5 Hz 激振频率（如图7、图8 所示）。

图7 优化方案的一阶模态形变云图

图8 优化方案的变化曲线、各阶响应频率及相位角

4 试验验证

通过优化设计对不同转轴材料属性模型进行谐响应分析，采购不同硬度的转轴样品；同时为了消除其他零部件差异导致噪音效果判定的干扰，电机除转轴替换对比测试外，其他零部件共用。

本案例结合优化仿真结果，通过改变转轴硬度（硬度提升58 HB），针对存在1 020 Hz 高频噪音电机实物更换调制处理后的转轴，并测试对比噪音效果，其高频噪音改善明显，与仿真结构相符。

优化前后噪音效果对比见表2。

表2 优化前后噪音效果对比

5 结语

本文对交流电机运用ANSYS 的电磁仿真和结构谐响应仿真，解析电机电磁性能以及激振谐波频率，分析电机的固有频率以及电机在电磁激振谐波的简谐载荷作用下的响应，得出产品的共振频率和不同模态下的响应振幅大小，从而指导设计人员通过优化结构方案、增加减震措施等预案，确保产品能适应不同谐波频率下的谐振载荷，达到降噪、减震的预警优化设计。