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【重磅发布】重构电机振动噪声分析新“视”界”

       随着市场竞争的日益激烈,用户对产品的各项指标的要求也日益严格,振动噪声问题也渐渐的成为了客户需求指标的一部分。振动噪声问题是旋转机械产品必然存在的,有些说法也把产品单纯的振动噪声称之为NVH问题,这种说法现在来看是不严谨的。换句话来讲,只有在汽车行业,才可将振动噪声称之为NVH。所以,本次结合我们EM振动噪声软件即将发布之时,本小编以自己的理解和大家一起聊一下我们EM“视”界中的电机振动、噪声问题。

电机振动噪声问题解决方法论概述

正向设计:根据客户的振动噪声指标,通过电机的电磁性能的校核和振动噪声的指标的要求,进行电机的仿真分析,最后进行电机的相关测试校核。

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逆向分析:根据客户问题样机的振动噪声测试反馈,并通过软件进行电机振动噪声的仿真分析。进而通过仿真手段定位噪声源并提出改进方案进行振动噪声仿真校核。

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       同时,为了减振降噪常用的技术手段从以下三个方面来考虑:首先应要减少激励源的振动与噪声,也就是从电机端去考虑采用一定的措施进行优化改善。这块也是我们本次重点去探讨的;其次是切断噪声源与接受者之间的噪声和振动的传递路径;最后,是对接受者进行隔音的保护及处理。

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       电机的噪声,可以大致分为机械噪声、电磁噪声、气动噪声,其中电磁噪声机理相对复杂,声品质较差,常表现为高频的啸叫,容易引起人们的不适,电磁噪声也是本文重点讨论的范畴。电机振动噪声的诱导因素有很多,总的可以划分为如下所示的三类。

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       电机电磁噪声是由电磁力引起,其中电磁力可以分为麦克斯韦力和磁致伸缩力,一般情况磁致伸缩力的噪声贡献较小,本文谈及的电磁力只讨论麦克斯韦电磁力。按照电机的结构,一般将电磁力分为切向力和径向力,切向电磁力一般会导致转矩波动,进一步带来振动噪声,而径向电磁力会导致定子振动从而向结构传递振动和向空气辐射噪声。 进一步的来讲电机电磁噪声产生的因素有很多而且相对比较复杂。对于永磁同步电机噪声,总的来讲可以分为:低频、中频和高频。低频一般和机械因素有关(<2kHz),中频和电机本体电磁特征有关(<4kHz): 齿槽效应、绕组分布形式、磁路磁饱和效应、转子磁极结构等引起的电机气隙磁场畸变,而高频噪声大都和变频器控制器相关:逆变器死区时间和器件管压降等非线性特性导致的逆变器输出电压畸变、A-D电流的采样偏差、数字控制器分辨率的限制以及控制器参数偏差等。

      最后,电机噪声源识别方法及解决方案也有很多,从复杂程度、精度高低以及费用大小等方面均有不少的差别,实际使用时可根据研究对象的具体要求,结合人力物力的可能条件综合考虑后予以确定。能够准确的在模拟仿真端能够定位到问题并发现问题相对来讲比较好的解决途径。(在电机建模仿真初期及时准确的发现振动噪声源头,工程上来说收益最高。)从电磁的角度出发对于解决振动噪声的问题也有很多的途径和方案。总的来讲可以分为:一是改进和优化电机的本体结构,主要有槽极配合、斜槽或斜极、永磁体形状优化、定子绕组类型和磁路优化、气隙等。二是从系统控制策略角度,利用谐波补偿算法来抑制电流谐波,主要电流谐波抑制策略有谐波电压补偿、多旋转PI控制、比例谐振(Proportional Resonant, PR)控制、复矢量PI(Complex Vector PI, CVPI)控制、重复控制(Repetitive Control, RC)、自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control, ADRC)等。三是机械设计方面,主要是提高加工装配精度、提高刚度、避免共振、闭口槽等。


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基于EasiMotor Online软件的解决方案

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      针对多物理场耦合的电机振动噪声分析,我们基于有限元的模型,考虑磁场饱和对电磁力的影响,进而直接应用分析电机振动噪声,并准确定位主要振动噪声源。完整的计算流程如下图所示:电磁建模—转速范围内的扫描—关键转速电磁力—结构建模—振动相应分析—声学建模—噪声计算。可以支持工程师进行正向和逆向的电机电磁力及振动噪声的分析。

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基于电机振动噪声仿真流程图

全新打造更好的用户体验

更简洁的设计流程

帮助电机工程师及专家

更高效地进行产品仿真


EasiMotor Online振动噪声功能抢先看


01

支持任意永磁同步电机模型的建模分析


        一方面可以通过磁路法的入口直接进行电机电磁力的分析及振动噪声的分析,可支持24种结构电机冲片。   

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       另一方面,可以通过自建有限元模型进行电磁力的分析及振动噪声的分析。

02

单转速及多转速工况振动噪声快速计算


        用户可以选择单转速或多转速进行电磁力的计算和振动噪声的分析。通过此方法用户可以快速的对优化前后的电机进行电磁力的对比及振动噪声的分析。

       单工况:精确模拟某一工况(恒定转速、恒定转矩)下的电机的电磁力及振动噪声的详情。

       多工况:模拟电机需要工作的所有工况下的噪声,同时可以模拟电机升速过程的噪声,分析电机噪声风险及原因。     

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电磁力的时空分解


      针对电磁力的时空分解以及丰富的后处理分析,可以获得清晰的频域阶次以及空间阶次的结果。从而可以深入的分析不同的电机结构之间对应的关系,以及为后续电磁力及振动噪声的数据关系建立基础。

       电磁力时空分解图,形象的展示电机气隙磁场中的电磁力的时间和空间构成,进而分析谐波电磁力产生的原因,进行针对性的优化和比较。

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丰富的后处理功能及振动噪声结果的显示


在电磁力的基础上,使用模态叠加和圆柱声辐射原理,可以计算出各阶次电磁力对噪声的贡献以及电机表面辐射噪声总声功率级。

      主要包括:各阶径向模态频率、各阶次的振动(位移、速度、加速度)贡献度、A计权声功率和声压级及阶次构成、1/3倍频程声功率和声压级及阶次构成、噪声、噪声瀑布图等等,轻松寻找到噪声最大工况,及精确定位噪声源。

同样,越来越多的电机实际运行的工作转速范围很宽,这就要求必须考虑各个转速下的电机噪声情况。对此,我们对上面的数据进行了拓展,可以快速得到各个转速下电机噪声的辐射声功率级的分布。如下图所示。同样,如振动阶次分析图一样,通过噪声分布图,能明显看出共振对噪声的影响。

       噪声瀑布图直观展示每个工况的噪声值,噪声随转速变化情况,各阶模态频率,轻易寻找到噪声最大工况,轻易识别共振带,辅助分析电机噪声源,寻找产生噪声的电磁力阶次,为电机优化指明方向。

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可视化的界面并集成了丰富的案例及用户操作文档能够快速指导用户进行软件操作分析

        仿真软件不再需要下载和安装,而是在浏览器上直接进行仿真。可以极大地提高仿真计算速度,降低用户的使用门槛。

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       多种不同应用场景的案例供用户进行参考和借鉴。如下所示为一款车用主驱电机的振动噪声计算模块输入界面及部分性能输出展示。(6月30日即可在官网查看该案例,敬请期待!)

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