Ansys电机电磁震动和噪声分析流程
基于ANSYS Workbench平台的电机电磁噪声仿真分析
基于ANSYS Workbench平台的电机电磁噪声仿真分析电动机与发电机等电力设备的噪声起因很多，有电磁振动噪声、机械噪声及流致噪声等等，本文通过ANSYS公司的官方案例为操作背景，详细介绍如何将作用在定子上的瞬态电磁力作为结构谐响应分析的载荷计算振动噪声。
1.电磁模型建立与分析如图1所示为一个电机模型，电机的额定输出功率为550W，额定电压为220V，极对数为4，定子齿数为24个，转子的转速为1500rpm，求电磁振动产生的噪声大小。
本算例使用的模块如下：RMxprt模块：建立电机类型；Maxwell模块：2D瞬态电磁场计算；Structural模块：3D谐响应分析计算；Acoustics ACT模块：噪声计算注：Acoustics ACT模块需要单独安装，请用户到官方网站上自行下载。
图1电机模型电机的电路模型如图2所示。
图2电机电路模型1）启动Workbench。
在Windows XP下单击“开始”→“所有程序”→ANSYS15→Workbench 15命令，即可进入Workbench主界面。
2）保存工程文档。
进入Workbench后，单击工具栏中的按钮，将文件保存为“zhendongzaosheng.wbpj”，单击Getting Started窗口右上角的（关闭）按钮将其关闭。
3）双击Toolbox→Analysis System→RMxprt模块建立项目A，如图3所示。
4）双击项目A中的A1栏进如RMxprt电机设置平台，如图4所示。
图3RMxprt模块图4RMxprt平台5）依次选择菜单RMxprt→Machine Type，在弹出的电机类型选择对话框中单击Generic Rotating Machine选项，单击OK按钮，如图5所示。
6）单击Project Manager→RMxprt→Machine选项，在下面出现属性设置对话框中作如下设置：在Source Type栏中选择AC选项；在Structure栏中选择Inner Rotor选项；在Stator Type栏中选择SLOT_AC选项；在Rotor Type栏中选择PM_INTERIOR选项，如图6所示。
ANSYS电磁场分析指南
ANSYS电磁场分析指南（共17章）ANSYS电磁场分析指南第一章磁场分析概述：ANSYS电磁场分析指南第二章2-D静态磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第三章２-Ｄ谐波（ＡＣ）磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第四章２-Ｄ瞬态磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第五章３-Ｄ静态磁场分析（标量法）：ANSYS电磁场分析指南第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边元方法）：ANSYS电磁场分析指南第七章３-Ｄ谐波磁场分析（棱边单元法）：ANSYS电磁场分析指南第八章３-D瞬态磁场分析（棱边单元法）：ANSYS电磁场分析指南第九章3-D静态、谐波和瞬态分析（节点法）：ANSYS电磁场分析指南第十章高频电磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第十一章磁宏：ANSYS电磁场分析指南第十二章远场单元：ANSYS电磁场分析指南第十三章电场分析：ANSYS电磁场分析指南第十四章静电场分析（h方法）：ANSYS电磁场分析指南第十五章静电场分析（P方法）：ANSYS电磁场分析指南第十六章电路分析：ANSYS电磁场分析指南第十七章其它分析选项和求解方法：第一章磁场分析概述1.1磁场分析对象利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模块中的电磁场分析功能，ANSYS可分析计算下列的设备中的电磁场，如：·电力发电机·磁带及磁盘驱动器·变压器·波导·螺线管传动器·谐振腔·电动机·连接器·磁成像系统·天线辐射·图像显示设备传感器·滤波器·回旋加速器在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为：·磁通密度·能量损耗·磁场强度·磁漏·磁力及磁矩· S-参数·阻抗·品质因子Q·电感·回波损耗·涡流·本征频率存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场。
ANSYS谐响应分析实例-振动电机轴分析
AnsysWorkBench11.0振动电机轴谐响应分析最小网站长：kingstudio最小网Ansys 教程频道为您打造最IN 的教程/1．谐响应分析简介任何持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的周期响应（谐响应）。
谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时的稳态响应的一种技术。
分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应并得到一些响应值（通常是位移）对频率的曲线。
从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步观察峰值频率对应的应力。
该技术只计算结构的稳态受迫振动，而不考虑发生在激励开始时的瞬态振动。
（见图1）。
谐响应分析使设计人员能预测结构的持续动力特性，从而使设计人员能够验证其设计能否成功地克服共振、疲劳，及其它受迫振动引起的有害效果。
谐响应分析是一种线性分析。
任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略。
分析中可以包含非对称系统矩阵，如分析在流体─结构相互作用中问题。
谐响应分析也可以分析有预应力结构，如小提琴的弦（假定简谐应力比预加的拉伸应力小得多）。
谐响应分析的定义与应用介绍：/ArticleContent.asp?ID=7852. 工程背景在长距离振动输送机、概率振动筛等变载荷振动机械中，由于载荷的变化幅度较大，且多为冲击或交变载荷，使得作为动力源与振动源的振动电机寿命大为缩短，其中振动电机阶梯轴的弹塑性变形又会中速振动电机的失效，故研究振动电机轴的谐响应，进而合理设计其尺寸与结构，是角决振动电机在此类场合过早失效的主要途径之一。
现以某型振动电机阶梯轴为分对象，振动电机属于将动帮源与振动源合为一体的电动施转式激振源，在振动电机轴两端分别装有两个偏心块，工作时电机轴还动两偏心块作顺转无能无力产生周期性激振力t sin F F 1ω=，其中为施加载荷，由些电机轴受到偏心块施加的变载荷冲击，极易产生变形和疲劳损坏，更严重者，当激振力的频率与阶梯轴的固有频率相等时，就会发生共振，造成电机严重破坏，故对电机进行谐应力分析很必要。
ANSYS Maxwell-电机振动噪声多场耦合分析和自动化分析流程
-25.00
-30.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 Time [ms] 25.00 30.00 35.00 40.00
Radial Force on Tooth Tips
50.00
02_DC-6step_IPM
ANSOFT
-0.00
-50.00
Force (Newtons)
注意: ACT Extension 只需要激活一次。
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© 2014 ANSYS, Inc.
April 14, 2014
Maxwell 的简单设置
Select Objects
Default Options Advanced Fourier Transform Options
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Agenda
电机噪声综述
电机振动噪声分析流程
新的无缝集成的噪声自动化分析流程
总结
2
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April 14, 2014
电机噪声介绍
Noise Sources
Magnetic
Radial
Self Auxiliaries Load Induced
Mechanical
Aerodynamic
-100.00
-150.00
Curve Info ExprCache(ToothTipRadial_Full1) ExprCache(ToothTipRadial_2) ExprCache(ToothTipRadial_3) ExprCache(ToothTipRadial_4) ExprCache(ToothTipRadial_5) ExprCache(ToothTipRadial_6)
基于ANSYS平台的电机NVH仿真分析流程
基于ANSYS平台的电机NVH仿真分析流程1前言电机NVH是指电机在运行过程中对外表现出的噪声、振动与声振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness），其主要包括三个来源，即电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声，在这三类噪声中，电磁噪声的频率相对来说处于高频段，尤其是与驱动器开关频率相关的电磁噪声的频率刚好处于人耳最敏感的噪声频率区间，其幅值基本上决定了电机NVH的整体指标，同时相较于其他两类噪声，电磁噪声更容易通过电机电磁和机械结构的优化设计进行有效的抑制，因此电机电磁振动噪声是我们重点关注的对象。
由于电机NVH问题的相关理论复杂，同时涉及电磁/结构/声学多学科，是典型的多物理场耦合问题，其仿真分析具有一定难度。
在ANSYS2019中，利用Maxwell2D/3D快速仿真电机在多转速下定、转子表面的频域电磁力并无缝链接到Workbench平台HarmonicResponse模块进行多转速谐响应分析，得到电机的ERP Level Waterfall图，用于分析电机在各转速下的谐振情况；同时多转速谐响应分析结果也可传递到Harmonic Acoustics模块进行Sound Power Level Waterfall的分析，用于进一步对电机噪声水平进行评估。
另外，借助于多目标优化模块可对包括电机NVH在内的各项性能指标进行参数化寻优，快速实现产品迭代创新。
本文以典型的8极48槽内置式永磁电机为例，详细介绍在ANSYS平台下电机NVH 仿真分析的流程，希望对各位工程师有所帮助。
2Maxwell电机参数化模型的建立本文虚构了一台典型的IPM电机方案，采用8极48槽，V字型磁钢，单层整距绕组，转子轴向分4段V型斜极，其他参数见表1。
表1电机参数极数8转子外径148.6mm槽数48转子内径80mm磁极类型V转子分段数4定子外径230mm绕组形式单层定子内径150mm跨距6铁心叠长100mm线圈匝数8Maxwell软件具有多种参数化建模方法，我们推荐采用软件内置UDP(User Defined Primitives)或自定义UDP的方式来建模，Maxwell内置了大量UDP模型，涵盖了各种常规电机的定、转子、绕组、机壳的模型，调用方法为Draw>User Defined Primitive>RMxprt，UDP模型中的所有几何尺寸皆可用变量进行定义以实现参数化。
ANSYS电磁场分析教学指南
第一章磁场分析概述1.1磁场分析对象利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模块中的电磁场分析功能，ANSYS可分析计算下列的设备中的电磁场，如：·电力发电机·磁带及磁盘驱动器·变压器·波导·螺线管传动器·谐振腔·电动机·连接器·磁成像系统·天线辐射·图像显示设备传感器·滤波器·回旋加速器在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为：·磁通密度·能量损耗·磁场强度·磁漏·磁力及磁矩· S-参数·阻抗·品质因子Q·电感·回波损耗·涡流·本征频率存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场。
1.2ANSYS如何完成电磁场分析计算ANSYS以Maxwell方程组作为电磁场分析的出发点。
有限元方法计算的未知量（自由度）主要是磁位或通量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出。
根据用户所选择的单元类型和单元选项的不同，ANSYS计算的自由度可以是标量磁位、矢量磁位或边界通量。
1.3静态、谐波、瞬态磁场分析利用ANSYS可以完成下列磁场分析：·2-D静态磁场分析，分析直流电(DC)或永磁体所产生的磁场，用矢量位方程。
参见本书“二维静态磁场分析”·2-D谐波磁场分析，分析低频交流电流(AC)或交流电压所产生的磁场，用矢量位方程。
参见本书“二维谐波磁场分析”·2-D瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，包含永磁体的效应，用矢量位方程。
参见本书“二维瞬态磁场分析”·3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用标量位方法。
参见本书“三维静态磁场分析（标量位方法）”·3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用棱边单元法。
基于ANSYS Maxwell的电机多目标优化分析
基于ANSYS Maxwell的电机多目标优化分析1前言电机设计是一个比较复杂的问题，不能仅仅考虑单个指标，而是要考虑一组设计指标，包括效率、成本、转矩、振动、温升、控制等。
这些指标经常相互矛盾、相互掣肘，例如性能与成本、效率与脉动、空载性能与负载性能、电磁性能与振动噪声性能等。
这时候，我们需要用到一些数学上的优化算法来求取最优解，事实上当优化目标比较多的时候，一个绝对的最优解并不存在的，往往是一个指标变好，另一个指标可能会变差。
我们通过优化方法得到的优化解，往往不是一个点，是一组解，也称为Pareto最优解，而这个过程也称为多目标优化。
优化分析是数学方法，必须要基于精确的电机分析技术才有意义，否则优化分析只能是空中楼阁，中看不中用。
而幸运的是随着计算机技术和有限元的发展，电机分析和设计的方法由最初的经验设计、路算法分析，发展到基于有限元的电磁场、温度场和结构场分析，一直到现在的多物理场耦合分析，电机分析的精度和速度都大大提高，这给电机的多目标优化分析提供了基础。
一个完整的有工程意义的电机多目标优化流程，必须具备以下几个条件。
(1)输入模型的参数化，包括几何尺寸、温度、激励等(2)输出变量的参数化，转矩、效率、谐波分量、成本、噪声等(3)分析流程的全自动化，如果优化过程涉及到多个分析模型、甚至是多个不同物理域的模型，他们之间的数据传递必须能够无缝连接，而且能够全自动完成(4)求解器要能够支持多任务并行计算，多目标优化可能需要计算成百上千种方案，多任务并行计算能有效的加快分析进度(5)需要有一个高效的优化工具，支持遗传、粒子群等多目标优化算法2基于ANSYS Maxwell的多目标优化方法介绍以上提及的多目标优化的各种条件，ANSYS都能够很好的满足。
ANSYS提供基于Workbench的多物理场优化平台，计算精度早已得到验证，ANSYS产品也嵌入了多种不同层次的优化器，可以根据需要，便捷的实现多目标优化分析。
Ansys电磁分析教程
• 设置预选过滤掉其它应用的菜单 Main menu>preferences
• 选择OK
1-11
• 定义所有物理区的单元类型为 PLANE53 Preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete • 选择 Add
• 选择磁矢量和8节点53号单元
• 选择 OK
1-12
B
B
1-41
• 半对称模型与全模型比较： – 磁通量密度是相同的 – 线圈上Lorentz 力是相同的 – 贮能为 1/2 – 极面上力为 1/2
– 加载电流密度与全模型相同
简单导磁体的半对称模型
线圈 (象征性的)
1-42
• 沿B-B磁通量垂直边条件需满足 – B-B线上下两边如下参数是相同的 • 几何形状 • 材料性质 – B-B线上下两边励磁相同
• 选择 OK
1-27
• 加力边界条件标志 Preprocessor>Loads>Apply>-Magnetic-Flag>Comp Force
• 选择OK
即使只有一种选项，也要鼠 标选取
• 施加两个标志，用两个不同的方法来计算力 – Maxwell’s 应力张量 – 虚功
1-28
• • •
以毫米单位生成的模型，最好把模型尺寸变换为国际单位制（变换系数 =.0001) 使整个模型激活 Utility>Select>Everything 缩放平面-不用拷贝 Preproc>operate>scale>areas
•
线圈
锭子 实体模型
•
1-5
•
建实体模型
•
•
给模型赋予属性以模拟物理区
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Maxwell 分析模型介绍
分析模型为 Prius 电机的二维分析模型。 瞬态分析模型的各项设置已经设置好。 如需要详细了解如何设置电机的瞬态分析模型，请查看其他相关培训文件。
定子铁心
Phase C Phase B 转子 轴 Phase A Phase C
磁钢
Maxwell 模型修改
为了精确分析定子齿部的径向电磁力，并将力密度的分布耦合到后续的谐响应分 析中。需要将定子齿部“分割”出来，并施加更细密的网格剖分。
调整仿真时间与步长
双击 Projects 管理窗口上的 Analysis>Setup1 设置仿真停止时间 Stop Time 为10ms 设置时间步长 Time Step 为 50us 点击 OK
激活瞬态电磁场与谐响应分析的耦合分析选项
激活瞬态电磁场与谐响应分析耦合分析选项 点击菜单Maxwell2D > Enable Harmonic Force Calculation 在弹出的Enable Harmonic Force Coulping 窗口中， 1. 选中Enable Force Calculation， 2. 在每一个齿尖模型的选择框中，打勾如下图。 3. 点击 OK 。 Maxwell将会在最后一个完整周期， 计算每一个选中物体的瞬时电磁力， 并通过傅里叶分析，转化成频域的 电磁力数据，频率范围是从直流到 DC to 1/(2*dT).
在弹出的 Element Length Based Refinement 窗口中， 1. 将 Name 改成 Length_ToothTips 2. Restrict length of Elements: 3. Maximum Length of Elements: 0.25 mm 4. 点击 OK 改善曲线网格剖分 选中所有的物体（ Ctrl + A） 点击菜单 Maxwell 2D > Mesh Operations > Assign > Surface
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电机电磁、震动和噪声耦合分析流程
启动 Maxwell
导入 Maxwell 文件成功后，在 Workbench 的工作区会出现一个Maxwell Design。 启动 Maxwell 双击 Maxwell Design 上的 Maxwell 2D 标签，弹出 Maxwell 2D界面。
2.
ANSYS 中国
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电机电磁、震动和噪声耦合分析流程
网格剖分
在原有网格剖分的基础上，加密网格剖分 加密定子齿尖网格剖分 按住Ctrl 键，依次选择6个定子齿尖模型 点击菜单Maxwell 2D > Mesh Operations > Assign > OnSelection > Length
Based
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电机电磁、震动和噪声耦合分析流程
几何模型修改 修改选择模式 1. 选择菜单 Edit > Select > Objects ； 2. 或从键盘，点击快捷键 “O” 。 复制定子铁心 1. 用鼠标，在图形窗口点击定子铁心。
点击，菜单 Edit > Copy 3. 点击，菜单 Edit > Paste 4. 在模型列表里面，会多出来一个物体 Stator1。 建一个辅助圆 1. 点击菜单 Draw > Circle ； 2. 在坐标输入区域，输入圆心的坐标点 X:0 ； Y:0 ； Z:0 ；点击回车键确定。 3. 在坐标输入区域，输入半径 dX:84 ； dY:0 ； dZ:0 ；点击回车键确定。 4. 在模型列表里面，会出现新部件 Circle3 。 建立定子齿尖部分模型 1. 按住Ctrl 键，先选择物体Stator1，再选择Circle3 2. 点击菜单， Modeler > Boolean > Intersect 3. 点击 OK 按钮 建立定子背板模型 1. 按住Ctrl 键，先选择物体Stator1，再选择Stator1 2. 点击菜单， Modeler > Boolean > Subtract 3. 在弹出的窗口中，选择Blank Parts:Stator1；Tool Parts: Stator1 4. 选择 Clone tool objects before subtracting: 5. 点击 OK 按钮 修改定子齿尖模型属性 1. 在模型列表选择物体Stator1，右键点击Properties 2. 在弹出的属性窗口中，将 Name 改成 ToothTips 3. 点击菜单 Modeler > Boolean > Separate Bodies
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Approximation
在弹出的 Surface Approximation 窗口中， 1. 将名字改成 SurfApprox_ToothTips 2. 设置 maximum surface deviation (length) 为 0.001 mm 3. 点击 OK
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电机电磁、震动和噪声耦合分析流程
导入Maxwell Project 文件
用户可以在 Workbench 中启动 Maxwell 2D，并新建分析 project；也 可以在Workbench 导入已有的 Maxwell project 文件。本例采用后者。
导入Maxwell 文件 选择 Workbench 菜单 File > Import 将默认的文件类型改为 Maxwell Project File (*.mxwl) 浏览到 Maxwell 文件保存的路径 选择文件 “Ex_MaxwellTransient_ Harmonic _Acoustic.mxwl”，并打开。
电机电磁、震动和噪声耦合分析流程
启动ANSYS Workbench
启动Workbench 选择 Windows 开始菜单，点击 All Programes > ANSYS 15.0 > Workbench 15.0 确保Maxwell 2D、Harmonic Response 等求解器，显示在Workbench左侧的窗 口中，如右图。