基于ANSYS的电动机风扇声场仿真分析
ANSYS 模态分析在电机声学中的应用
ANSYS模态分析在电机声学中的应用赵海霞[尼得科电机（青岛）有限公司，266300][ 摘要] 电机的动态特性研究是解决电机噪声和振动的重要手段，本文运用ANSYS软件分析了电机装配工艺对电机振动和噪声的影响，分别对正常装配和异常装配后的电机进行了模态计算，得到了频段1000Hz-3000Hz 的各阶振型，并比较两种结果的差异，从而找出了电机产生噪声的主要原因。
由于电机噪声的复杂性和不同声源的相互干扰，仅通过噪声测试的频谱是很难判断具体原因，有限元模态分析为解决电机振动和噪声提供了一种有效的理论方法。
[ 关键词]电机，噪声与振动，模态分析。
Application of ANSYS modal analysis in motor soundHaixia Zhao[Nidec motor (Qingdao) corporation,266300][ Abstract ] The research of motor dynamic characteristic is the important method to solve motor sound and vibration, the paper analyzed the effect of motor assembled process to motor sound andvibration, the modal analysis are established for both assembled process conditions (normaland abnormal) by ANSYS software, and the main cause of the motor noise are found byFEA simulated result. Because of the complexity and the interference of kinds of soundsource, it is difficult to judge the specific reasons only by sound and vibration test spectrum,the modal calculate and analysis provide the effective method to solve motor sound andvibration.[ Keyword ] motor, sound and Vibration, modal analysis1前言电机的故障会引起很多异常噪声，这些噪声将影响环境及人类生活的舒适性。
基于ANSYS仿真的新型风力发电机气动设计
基于ANSYS仿真的新型风力发电机气动设计近年来，随着环保意识的不断增强，风力发电逐渐成为可再生能源领域的热门话题之一。
而在风力发电系统中，风力发电机是不可或缺的组成部分之一。
而随着科学技术的不断进步，人们对于风力发电机的要求也越来越高。
于是，新型风力发电机的设计和研发逐渐成为了科技领域内的热点之一。
而在风力发电机的设计中，气动设计也是一个非常重要的环节。
因为气动设计的好坏直接关系到风力发电机的性能和效率。
在气动设计中，使用ANSYS仿真技术也成为了一种非常便捷有效的工具，可以在相对较短的时间内得到一个比较不错的设计方案。
接下来，将从ANSYS仿真的角度出发，对于新型风力发电机的气动设计进行分析和探讨。
首先，对于新型风力发电机的设计，需要进行一定的气动参数的分析。
这个过程主要是通过ANSYS仿真来完成的。
通过对于气动参数进行分析，可以初步了解风力发电机所需要的气动参数。
在进行分析时，需要注意的是，对于风力发电机的结构参数需要进行区分，从而得到在不同条件下的设计优化方案。
接下来，需要对于风力发电机的流场进行仿真分析。
在风力发电机的气动设计中，流场仿真的作用是非常重要的。
通过流场分析，可以直观的看到风力发电机在不同条件下的流场分布情况。
这一点非常重要，因为通过流场分析，可以明确的了解环境对于风力发电机的影响，从而在设计的过程中作出相应的优化和改进，使得风力发电机的性能和效率得到最大化的提升。
同时，在流场仿真的过程中，也需要考虑风力发电机与周围空气的流动的影响。
因为在现实生活中，风力发电机往往会受到各种复杂的环境因素的影响，如风速、地形、气流的不稳定性等等，因此在流场仿真的过程中，需要考虑这些影响因素，从而得出更为准确的仿真结果。
最后，还需要通过ANSYS仿真来对于风力发电机的性能和效率进行评估。
这一点也非常重要，因为对于风力发电机的开发过程中，性能和效率是一个非常关键的问题。
在风力发电机的设计中，设计者们不仅仅要考虑到风力发电机的制作成本，同时还要考虑到风力发电机的使用成本，即运行维护费用。
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。
基于ANSYS Workbench的风扇流量仿真
2020.15科学技术创新 进口区进口区冷却风扇整流栅出口区为了研究某新能源装载机冷却系统的换热性能，需要获得正确的冷却系统散热模块中的冷却风扇性能。
目前多用前处理软件Gambit 对模型进行网格划分与边界设置，随后保存数据导入Fluent 软件进行仿真计算和后处理。
经过Gambit 处理后保存的数据在导入Fluent 中容易出现数据丢失等问题，且出现网格质量等错误时不易更改，操作十分不便。
为了解决上述的问题，本文采用功能强大的Ansys workbench15.0工作台，将虚拟风道模型的网格划分、CFD 模拟、后处理集中，避免因软件的相互转换所带来的问题。
1风扇模型建立及网格划分1.1以新能源装载机配置的冷却风扇为对象，对其进行三维建模，并将其置于虚拟风道中进行数值模拟。
风扇三维模型如图1，部分参数见表1。
表1风扇参数表图1风扇模型根据文献[1]对风洞的要求，选取D 型风道，建立虚拟风道三维模型，结构如图2所示。
虚拟风道分为进口区、出口区、冷却风扇区、旋转域区、整流栅区。
其风道截面为风扇当量直径，进口区风道长度为4倍的风扇当量直径，出口区风道长度为6倍的风扇当量直径，按照标准需在距离出口区风道2至4倍风扇当量直径处布置整流栅[2-4]。
图2虚拟风道模型1.2在CFD 模拟中，划分后的网格质量直接决定着计算结果的精度和收敛速度。
对于冷却风扇而言，应采用适合曲率变化大的非结构性网格。
冷却风扇区及旋转域采用四面体网格，网格划分方法设置为Tetrahedrons ，生成网格形式为Path Independent ，如图3。
进口区、出口区及整流栅采用正六面体网格，网格划分方法设置为Hex Dominant Method ，生成网格形式为Use Global Setting ，自由面网格类型为All Quad 。
对冷却风扇扇叶附近区域及旋转域进行网格加密，如图4。
图3风扇区网格图4虚拟风道网格2求解设置与仿真结果2.1在workbench 的fluent 中设置为压力为基础的稳态求解器；空气视为不可压缩介质；压力进口、压力出口；湍流模型选择k-ε标准模型，湍流强度为默认值5%，水力直径为风扇当量直径；对冷却风扇及旋转域采用多重参考系法（MRF ），冷却风扇相对于旋转域静止，即设置旋转域转速与风扇转速一致，为2100rpm ；各区域均设置为流体区域，流动介质为空气；耦合方程采用SIMPLE 算法；为了更快收敛，湍流耗散率、动量及压力等参数均采用二阶迎风式离散；设置监测面，监测项为风量，监测项残差数值小于1.0×10-6可定为收敛。
基于ANSYS的风扇设计与优化
基于ANSYS的风扇设计与优化一、引言风扇是一种常见的动力工具，广泛应用于家用电器、车辆、建筑等领域。
良好的风扇设计和优化可以提高工作效率和节能性能，为各行各业带来巨大的经济和环境收益。
本文将介绍基于ANSYS的风扇设计与优化的方法和实践，力图提供一个全面的指导。
二、风扇设计的基本原理1.风扇的工作理论风扇是通过旋转叶片产生气流，利用气流的动能对周围空气进行运动的装置。
其工作原理是将旋转动能转化为风速和压力。
风扇的关键参数包括风量、风速和静压。
2.风扇的主要构件风扇由电机、叶轮和外壳组成。
电机提供动力，叶轮是产生气流的关键部分，外壳起到引导气流的作用。
三、基于ANSYS的风扇设计与优化实践1.建立风扇模型首先，在ANSYS软件中，我们需要建立一个风扇的三维模型。
可以使用CAD 模型导入、参数化建模等方法。
接下来，通过划分网格，提高模型的精度和计算效率。
2.流体动力学模拟在建立了风扇模型后，通过ANSYS的流体动力学（CFD）模块进行模拟分析。
CFD模块可以模拟风扇在不同工况下的气流特性，如风速、风量和静压等。
通过调整叶片的形状和数量，可以改变风扇的气流性能。
3.模拟结果分析根据CFD模拟的结果，可以对风扇的气流性能进行评估和分析。
比如，可以通过观察叶轮上的压力分布、流线图和速度云图等来判断风扇的工作效果。
同时，也可以对比不同设计方案的性能差异，选择最佳的风扇设计方案。
4.优化设计根据模拟结果的分析，我们可以进一步优化风扇的设计。
比如，可以通过调整叶片的形状和数量来改变风扇的工作效率和噪声水平。
还可以通过优化叶轮和外壳之间的匹配关系，减少内部的漏风和压力损失。
5.验证与改进进行优化设计后，需要对改进后的风扇进行验证。
可以通过建立物理原型并进行实验测试来验证CFD模拟的准确性。
如果实验结果与模拟结果一致，说明优化设计是可行的。
如果存在差异，则需要对模型进行进一步改进和优化。
四、风扇设计与优化的挑战与展望1.挑战风扇设计与优化面临着诸多挑战。
基于有限元的压电风扇建模与仿真分析
在不同阶数振动下，压电风扇的振动频率随着振动薄片长度的变化而变化[20]，压电风扇的振动频率如图5所示。
由图5可以看出，随着振动薄片长度的增加，压电风扇的振动频率逐渐减小;而且相同长度的振动薄片，在前3阶模态时，随着阶数的增加，压电风扇的振动频率随之增大。
基于有限元的压电风扇建模与仿真分析
作者：郭修宇王海峰李海宁王世龙王乐生李蒙
来源：《青岛大学学报（工程技术版）》2019年第04期
摘要：為深入研究压电风扇的物理特征，本文采用ANSYS Workbench，建立压电风扇的简化模型，并对压电风扇的多种参数变化进行模拟仿真，实现对压电风扇机械特性的模态分析。仿真结果表明，保持压电风扇其它参数不变，振动薄片在一阶模态下振动，其最大的振幅随着振动薄片长度的增加而减小，压电风扇的最大振幅均出现在振动薄片的自由端，而且振动薄片的振动行为会随着振动阶数的增加而增加;随着振动薄片长度的增加，压电风扇的振动频率在不同阶数的振动下均减小;相同长度的振动薄片，在前三阶模态时，压电风扇的振动频率随着阶数的增加而增大。该研究揭示了压电风扇激励振动薄片的振动规律。
2压电风扇机械特性分析
模态分析的目的是分析结构在无外力作用下的振动行为，包括自然振动频率和该频率下的振动形状，通过模态分析可以了解元件在什么频率下产生共振[17]。本文以矩形压电风扇为例，在不改变原有压电风扇其它结构参数的条件下，通过改变振动薄片的长度，研究并确定其受压电致动器驱动后的振动行为。锆钛酸铅（piezoelectric ceramic transducer，PZT）压电片的尺寸参数为20 mm×15 mm×0.6 mm，振动薄片的厚度为0.5 mm，设置振动薄片的长度L分别为60，70，80，90，100 mm，研究和分析PZT压电片驱动振动薄片的振动行为[18-19]。当振动薄片L=80 mm时，采用结构化网格对模型进行网格划分，网格尺寸为1 mm，压电风扇网格划分如图3所示，其它长度尺寸振动薄片的网格划分与图3类似。
ANSYS期末报告(风扇分析)
291.25(hz)
292.6(hz)
293.29(hz)
318.19(hz)
3600
500.61(hz)
613.33(hz)
648.47(hz)
726.93(hz)
736.97(hz)
5400
825.77(hz)
998.76(hz)
1001(hz)
1043.9(hz)
1066.4(hz)
分析
6000 5000 4000 rpm 3000 2000 1000 0 0 200 400 600 frequency 800 1000 1200
主題二
當風扇在(1800 3600 5400)rpm時，Static Structural、Shape Optimization、 Fatigue Tool 分析。
零件:fan、base of fan Simulation Model:1個
(內含Static Structural、 Shape Optimization 檔案)
零件(3,4,5)
零件3
fan
風扇(可轉動) (5片扇業)
零件4
net
前網(可轉動) (30條網)馬達
Material
材料:都用Polyethylene Tensile Yield:25MPa Tensile Ultimate Strength:33MPa
主題ㄧ
當風扇在(1800 3600 5400)rpm時，Static Structural、Modal、Random Vibration分析。
疲勞分析的結果， 發現與減材的分析相呼應， 生命週期較長的地方， 較適合做減材。
主題三
當風扇在安裝到基座上的Static Structural 分析。
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。
17
© 2014 ANSYS, Inc.
April 14, 2014
Maxwell 的简单设置
Select Objects
Default Options Advanced Fourier Transform Options
18
© 2014 ANSYS, Inc.
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
© 2014 ANSYS, Inc.
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)
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大 ，采 用 非 结 构 网 格 划 分 ，其 余 部 分 采 用 结 构 化 网 格 非 稳 态
7.5
划 分 ，确 保 歪 斜 度 skweness最 好 控 制 在 0.9 以 下 ，纵 横 运 动 ，
比aspect ratio 控 制 在 5:1 以内 ，增 长 率 growth rate控 制 流 场 中
根据流体力学中湍流模
图2 穿孔优化后的 电动机风扇模型
型的求解方法，给出其控制方程[1]如下：
质量守恒方程为
鄣籽 + 鄣 蓸 籽ui 蔀 =0； （1）
鄣t 鄣xi
动量守恒方程为
蓘 蓸 蔀 蓡 鄣(籽ui) + 鄣 蓸 籽uiuj 蔀 =- 鄣籽 + 鄣
鄣t 鄣xj
鄣xi 鄣xj
滋
鄣ui 鄣xj
+
鄣uj 鄣xj
化后的风扇有良好的降低空气噪声的效果，同时验证了优化手段的合理性。
关键词：ANSYS；风扇；噪声频谱；空气噪声
中图分类号: TB 535
文献标志码:粤
文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员9）09原园116原园3
Simulation and Analysis on Acoustic Field of Motor Fan Based on ANSYS
ZHANG Xinliang, LIN Weitian, HU Gang
(School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)
Abstract: Motor radial centrifugal fans have higher stability than axial fans due to their bidirectional rotation. The ANSYS
机械工程师
MECHANICAL ENGINEER
基于ANSYS的电动机风扇声场仿真分析
张新亮， 林蔚天， 胡刚 (上海电机学院 电气学院，上海 201306)
摘 要：电动机径向离心式风扇可双向旋转，比轴流式风扇具有更高的稳定性。利用ANSYS软件对一款封闭式电动机的风
扇进行网格划分及有限元分析，根据仿真得到的噪声频谱，对比分析优化前后风扇在不同转速下的空气噪声。结果表明，优
机械工程师
MECHANICAL ENGINEER
当f>0时表示远场区，当f<0时表示声源区。啄（f）为Dirac 因 为 空
delta函数，H（f）为Heaviside函数[3]。
气流动
23.0
2.3 电动机风扇建模、优化与有限元仿真
是一种
18.0
网 格 划 分 时 ， 控 制 风 扇 周 围 的 网 格 细 密 程 度 较 复 杂 的 13.0
鄣t
（3）
式中：ui为流体沿xi方向的速度分量；un为流体速度在积分
面f=0上的 法 向 量；v n 为 垂 直 于平 面 的 物 体 表 面 的 速 度 分
量；nj为单位法向量；p忆为远场声压, 当f=0时表示积分面，
116
圆园员9 年第 9 期 网址： 电邮：hrbengi理控制计算时长，防止资源浪费。网格 各 处 反 -2.5
划分如图3所示。其中 网 格节 点 数达 到 433 498，网格 数达到2 554 404。
龙材料制作而成的不均匀分布风扇，安置于电动机N端，
由电动机转子驱动轴驱动风扇为电动机提供散热条件。
由于风扇结构复杂，多曲面，为提高效率、节省计算时间，
在合理范围内对电动机风扇模型进行了简化，如图1所
示。
1.2 电动机风扇噪声的分
类
电动机风扇噪声主要
是由离散噪声和宽频噪声
组成。离散噪声来源于风
扇叶片周期性击打空气气
图1 电动机原型风扇简 化模型
流。宽频噪声主要是由于 叶片边缘处脱落的气流作 用于叶片正压力面造成压
力脉动。为了减小叶片正压
力面气流，采取对叶片表面
穿孔的方法，使得叶片正压
力面气流通过小孔流向负压
力面，减小叶片边缘处脱落
气流对叶片正压力面的影
响，如图2所示。
2 有限元仿真分析 2.1 湍流模型控制方程
0引言 径向离心式风扇相较轴流式风扇具有可双向旋转产
生气流、稳定性高的优点，但离心式风扇也面临着噪声
大、风量小的缺点。降低电动机噪声是电动机生产企业始
终面临的技术难题，而从多种角度设法降低电动机的各
种噪声成为了企业研发设计的要求。本文使用商业绘图
软件UG NX和ANSYS有限元仿真分析软件对电动机风扇
-
2 3
啄ij
鄣uk 鄣xk
摇+
鄣 鄣xj (-籽ui忆uj忆)。
（2）
2.2 噪声仿真模型FW-H方程[2]
2
2
1 鄣 p忆 22
a0 鄣 t
2
鄣
鄣
p忆= 鄣xi鄣yj {TijH（F）}-鄣xi{[Pijnj+籽ui(un-vn)]啄（f）}+
鄣 {[籽0vn+籽 蓸 vn原un 蔀 ]啄（f）}。
software is used to carry out mesh and finite element analysis of a fan in an enclosed motor. According to the noise
spectrum obtained by simulation, the air noise of the fan at different speeds is optimized and compared. The results show
that the optimized fan has a good effect of reducing air noise, and verifies the rationality of the optimization method.
Keywords: ANSYS; fan; noise spectrum; air noise
进行3D等效建模、仿真和参数分析，得出在不同转速下优
化后的风扇表面宽频噪声分布，验证了优化后风扇的合
理性，为今后电动机的降噪优化设计提供参考依据。
1 电动机风扇与噪声
1.1 M2BAX低压船用电动机风扇结构
本文针对企业M2BAX系列低压船用电动机风扇噪
声进行分析研究，额定功率4 kW，采用一副由玻璃纤维尼