耦合物理场下的电机振动噪声分析

本文通过有限元仿真技术在物理耦合场中进行电机振动，噪声的仿真分析。首先通过Maxwell进行电机在转速1500 r/min得工况下，仿真得出电磁力密度，经过转换得到频域下得电磁激振力。接着用ANSYS进行模态分析，确定得电机定子的一阶固有频率为1632.5 Hz，并求出前六阶固有频率以及模态振型。然后将电磁激振力作为远程载荷结合模态分析，进行了谐响应分析，得出一阶固有频率的振幅。最后通过噪声分析，确定了在频率为2000 Hz时的噪声为30.723 dBA。本文的仿真工作为电机减振降噪的设计优化提供了完整的分析流程。

永磁电机是世界上出现的第一种电机产品，是包括汽车等多领域在内的核心部件。随着近几年的集成电路技术，电子元器件和微型计算机技术的快速发展。永磁电机也凭借其功率大，高效率，体积小， 低耗能等优势迎来了属于它的时代。无论是航天领域，农用领域，军工领域等都得到了广泛的应用，也取得了一些成果。随着电机的快速发展，人们对于电机的要求也越来越高[1]。不仅仅对于电机要求功率高，转速高，也对于电机的振动，噪声等方面的优化越来越重要[2]。而对于电机的设计优化来说，在电机设计量产之前对电机进行振动，噪声分析，在源头控制住振动，噪声的产生，是非常重要的。

针对电机的振动问题，国内外学者提出了众多优化方案，并做了大量深入的研究。Wang 等人进行了复杂径向电磁力下的电机动建模，讨论了转子偏心对振动的影响，并开发了定转子振动响应的预编程程序。

廖晓文运用外差法， 对电机的转子磁极所输出信号的相位差进行了改进， 并进行了实验验证[3]。

Sandra M. Castano 通过分析切换策略对径向力波形的影响， 运用调整导通角的方法来降低电磁径向力高变化率， 从而降低开关磁阻电机的振动[4]。张自有通过对滑模观测器和切换函数进行改进，有效地减小了电机运行所产生的高频抖振。

郭建英针对电机的转矩脉动问题， 提出谐波注入的研究新方法， 在Matlab/Simulink模块中建立了电机控制系统， 并对此方法实验验证了其可靠性[5]。

吴伟等人针对电机的转速不同步问题， 提出了一种基于新型偏差耦合结构的非奇异终端模糊滑膜控制策略，并在控制结构上引入PID 速度补偿器，有效提高了系统的鲁棒性与稳态性能[6]。姜富宽基于转子分段提出了一种抑制转矩的齿槽新结构， 建立了电机转矩解析模型，并对齿宽进行优化组合，经有限元仿真和实验验证表明该方法对电机的转矩脉动抑制有显著作用[7]。

本文通过有限元的方法对永磁同步电机中的定子进行了振动， 噪声仿真分析。

由此从源头进行减振， 降噪，提出优化方案。本文首先在ANSYS 旗下的Maxwell 软件中搭建了电机主要部件定转子的二维平面图， 并通过求解器求解出电机转动时产生的径向电磁力。

然后对定子部分进行了模态分析， 得到定子的固有频率。

然后将Maxwell 中分析的径向电磁力作为远程载荷导入到定子部分的谐响应分析中， 结合模态分析部分， 进行谐响应分析。最后将谐响应分析的结果最为远程载荷导入到Harmonic Respone 模块进行了谐波声学分析。

2. 振动，噪声仿真 2.1. 电磁分析 本文通过Solidworks 设计了电机的定转子模型如图1，图2 所示。在此模型上进行定子的振动，噪声仿真。本例设计的电机转子部分是24 个定子槽。