Manatee软件电机振动噪声分析

1 Manatee 软件电磁振动噪声分析 北京天源博通科技有限公司 褚占宇 2 利用 Manatee 软件分析丰田 Prius2004 电机电磁及振动噪声 Manatee 软件是由法国 EOMYS 公司研发的，可以计算电机的电磁振动噪声 的软件。北京天源博通科技有限公司是该软件在中国的代理商。 本文主要是利用Manatee软件分析丰田Prius2004款电机的电磁及振动噪声。 表 1 是丰田 Prius2004 电机的主要尺寸参数。 表 1 电机主要的参数 名称数据 定子外径/mm269.24 定子内径/mm161.9 气隙长度/mm0.75 铁心长度/mm83.82 转轴外径/mm110.64 极数/槽数8/48 1 建模流程 首先打开 Manatee 软件。如下图所示。 选择电机类型，点击 New Machine 按钮，选择要编辑的电机类型。 3 在电机类型里面选择 BPMSM，为内置式的永磁电机类型。P 中输入极对数 为 4（注意这里是极对数不是极数）。 接着设置 Machine Dimensions 选项，在这里设置电机的定子外半径为 134.62mm,定子内半径为 80.95mm， 转子外半径 80.2mm， 转子内半径为 55.32mm。 4 计算出气隙长度为 0.75mm。 设置定子轴向长度，定子硅钢片轴向长度为 83.82，硅钢片的叠压系数设置 为 0.95。没有径向通风道和轴向通风口。 设置定子槽型，软件提供了多种槽型，选择相应的槽型进行设置。在这里选 择槽型 11，以下为具体的槽型尺寸参数。 5 当设置好后，可以点击 Preview 按钮，生成如下图所示。 6 定子绕组设置， Prius 2004 为 3 相双层，分布短距，绕线间距为 5 ，并绕 根数 13， 并联之路数 1， 每线圈的串联匝数 9。 点击 next 按钮，选择 3 相双层，绕组跨距为 5。 点击 Preview 按钮，生成如下图所示。 点击 next 按钮，设置并联之路数 1， 每线圈的串联匝数 9。 7 点击 next 按钮， 选择圆导线， 材料选择铜， 并绕根数 13 ， 设置线径 0.912mm。 点击 next 按钮，设置端部绕组。设置端部绕组直线伸出长度为 0，端部调整 8 系数为 0.5。 点击 next 设置转子， 转子硅钢片长度为 83.82mm， 硅钢片的叠压系数为0.95， 硅钢片材料属性为 M400-50A。 点击 next 按钮，设置永磁体尺寸，选择永磁体槽型为 slot Type 50，具体尺 9 寸按着下面图形输入，永磁体材料为 magnet7. 点击 preview 按钮，生成如下所示的图形。 当全部建完后，点击保存按钮，把新建的电机模型保存下来。 2 开路变速声学分析 10 点击 WorkflowVariable speed 设置变速，最小转速是 500，最大 7000， 步长为 50。 电气模型参数定义了如何计算电流和等效电路参数。 第一个模拟是一个开路 的案例，因此它没有被使用，所有的参数都可以作为默认值。 点击 Electrical，按着如下图所示进行设置。 11 点击 Assumption 按钮，生成如下图所示。 这里可以设置绕组和永磁体温度， 包括铁耗的计算方法， 是否考虑集肤效应， 机械损耗的定义等。 12 电磁模型的设置，点击 electromagnetic 电磁模块参数定义了如何计算气隙磁通量的分布。例如可以用有限元法，子 域模型等并且可以考虑非线性。 由于它是一种开路电路模拟，所以忽略了定子磁场的影响。这意味着电枢磁 场没有计算， 只计算了转子磁体的磁场。 因此点击 Assumption 只是勾选 Is_mmfr。 13 故障参数的设置 Faults 故障参数可以考虑电机短路、断条、偏心等故障。由于本案例暂时不考虑， 故跳过设置。 机械模型的设置，点击 Mechanical 按钮。 机械模型参数定义了如何计算定子或转子结构的动态挠度（如 FEA 或实验 模态参数）。选择了用于计算自然频率的默认的二维分析模型：在这里使用路算 法。如下图所示。 14 对所有的结构模式都有一个恒定的阻尼。电机的周向模式通常在 0.8%到 2.5%之间，这里设置了 2%的值。 声学模型设置，点击 Acoustics. 15 声学模型参数定义了声压级是如何计算的。这里有默认选项，这意味着电机 被假定为平放在地板上，而声音压力水平是计算在距离电机框架 1 米的地方。 数值参数模型设置，点击 Numerical 按钮。 这部分包含了模拟的所有数值参数。 MANATEE 包含几个检查和警告， 以确 保模拟结果是数字的。 一个重要的输入变量是在振动计算过程中要考虑的最大振动频率。 它应该根 据电机中观察到的最高的“危险”自然频率， 以及最高的磁激发频率 （例如， PWM 操作的开关频率的两倍，以及正弦操作的槽口频率的 4 倍）来选择。小型电机将 具有高频模式，因此需要较高的采样频率。如果指定的最大频率与理论磁激发频 率不一致，则输出中出现一条警告消息。 在数值组/振动-声设置里，周向振动波数的最大数目被设置为 9，这意味着 磁激发波数为 0、1、2 直到 8 在结构模拟中被考虑在内。根据轭的刚度和槽数， 你可能需要包括多达 20 个波数（一个大型多极同步发电机的例子）来正确地模 拟主振动波。为了包含极对数的空间频率最大的振动波，这个参数应该至少是 2p+1，如果不是这种情况，就会发出警告信息。 16 应该确保数值离散化程度足够高，在一个转子机械周期中有 2 的 11 次幂个 点，沿著气隙的 2 的 11 次幂个点。此电机非斜极和斜槽。点击 OK 计算模型 17 当保存为 BPM 文档后，设置后点击 RUN 按钮进行计算。 输出结果分析 当计算完毕后，可以对计算文本结果进行简要的分析。其中有理论谐波力分 析。 这张表在开路中扫过了槽/极交互力的谐波，并识别了潜在的有害力谐波。 这些谐波代表了径向和切向力的谐波。该分析依赖于分析方程，可以与数值模拟 分开运行。它有助于解释 Manatee 的数值结果。 以下是电机的主要参数 一些电机参数 下面可以看出离散化程度足够高 18 以下是等效电路的一些参数 在输出结果的文本文档中输入 plot_B_space，如下图所示，可以查看气隙磁 密并对气隙磁密进行傅里叶分解。 径向切向气隙磁密 19 气隙麦克斯韦径向力分量可以用 plot_Fr_fft2_stem 麦克斯韦力径向分量 此图显示的是径向力谐波图。在对主力谐波进行理论分析的基础上，自动对 力谐波进行了自动标注，并给出了最佳解析公式的估计。 静态分量（f=0 Hz）会自动移除，因为它不会导致噪声和振动。应该仔细地 检查一下力的范围限制，事实上，最大的力波应该是基本频率的两倍，带有 2p 空间的波数。这是“基本力谐波”，即使在纯正弦通量分布的电机中也会出现这种 情况。 根据电机的拓扑结构和速度范围，这个基本力可能有一个重要的振动作用 （更高的波数，更硬的是定子轭）。在普锐斯的例子中，这个波数太大了，无法 产生显著的共振。 对于磁振动计算，Manatee 在定子和转子结构上投射出麦克斯韦应力张量。 给定频率的磁力波（例如 667 和 800hz）可以使用 plot_fteeth_machine 667 进行 可视化。 20 齿力（667hz） 当输入 plot_fteeth_machine（800），生成如下图所示。 齿力（800hz） 21 可以看出，这些力主要是径向的， 在文本输出栏中输入 plot_nat_freq，可以得到自然频率显示，如下图所示。 定子自然频率 在输出文本栏中输入 plot_Vr_modal_cont，可以得到不同波数的速度频率图谱。 不同波数速度频率谱 22 声学模型 通过 plot_aswl_modal_cont 可以将噪声功率的每个谱线的模态贡献可视化。 可以用 plotl_spl_fft 获得声压级谱： 1/3 倍频噪音频谱可用 plot_aswL_13oct 来显示。 23 1/3 倍频振动噪声频谱 在输出文本栏中输入 plot_VS_Ar_spectrogram，可以得到如下图所示。 径向加速度频谱图 整个 SPL（声压级）可以用 plot_VS_ASPL_overall 全局性显示. 24 为了得到更多的关于噪音来自哪里的信息，可以在输出文本栏中输入 plot_VS_ASPL_sonagram 离电机 1 米处的噪声图谱 结构模式对噪声级的贡献也可以通过（plot_VS_ASWL_modal_cont）进行检 查： 25 这种识别也可以通过 plot_VS_ASWL_spatiogram 来实现。 在文本输出栏中输入 play_noise，可以听到模拟电机的噪声。 26 3 固定速度，正弦电流驱动声学分析 在上个 BPM 文件中首先要激活定子磁场的计算。 接着要设置电流源，如下图所示，设置电流为 150A，转速 1000Rpm 27 点击 Run 计算按钮，计算完后，在输出文本栏中输入 plot_ASWL_fft，得到 如下图所示的声功率图谱。 声功率图谱 28 在文本输出栏中输入 plot_ASWL_modal_cont，得到如下所示的图。 4 变速控制电流仿真计算 在上个文档中，如下图所示，首先设置速度电流相角