Manatee振动噪声分析

1Manatee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8/481建模流程首先打开Manatee软件。如下图所示。选择电机类型，点击NewMachine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MachineDimensions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，Prius2004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slotType50，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Workflow—〉Variablespeed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=0Hz）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_machine667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。231/3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。263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1000Rpm27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设置。29点击Preview按钮，可以清楚的看到电流曲线，速度和超前角曲线。30保存文件，点击RUN运行计算，在计算输出文本框中输入plot_VS_ASPL_overall,可以得到声压水平的图如下图所示。315小结本文主要是通过一个实际的丰田prius2004电机，通过Manatee软件做了3种工况的分析，每种工况都详细介绍了软件操作流程并且分析了电机的振动噪声。