基于ANSYS和SYSNOISE的电机噪声仿真分析方法
第１５卷第９期
２０１
电机与控制学报
ＣＯＮＴＲＯＬ
ＶｏＬ１５Ｎｏ．９
１年９月
ＥＬＥＣＴＲＩＣＭＡＣＨＩＮＥＳＡＮＤ
Ｓｅｐ．２０１１
基于ＡＮＳＹＳ和ＳＹＳＮＯＩＳＥ的电机噪声仿真分析方法
崔淑梅，
于天达，
宋立伟
（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）
摘要：针对电机噪声分析时有限元软件ＡＮＳＹＳ不能直接得到声响特性与实验数据比对的问题，研
究与振动声学分析软件ＳＹＳＮＯＩＳＥ进行联合仿真的方法。以一台永磁直流电机为例，建立基于ＡＮ—
ＳＹＳ的结构动力模型，计算振动频响特性并作为输入边界激励条件加入ＳＹＳＮＯＩＳＥ，用ＳＹＳＮＯＩＳＥ计算出声压频响特性。仿真与实验结果表明，最大相对误差为８．５％，满足工程设计需要。给出了ＡＮ．
ＳＹＳ与ＳＹＳＮＯＩＳＥ间结构网格和边界条件预处理与导入的具体办法，解决了两个软件的兼容问题。该方法利用两个软件的优势加快了计算速度，仿真结果亦直观，方便与实验结果相比较。关键词：电机；噪声；有限元；边界元；软件接口
中图分类号：ＴＭ
３５１
文献标志码：Ａ文章编号：１００７—４４９Ｘ（２０１１）０９—００６３—０５
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｍｏｔｏｒａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｂａｓｅｄ
ＡＮＳＹＳａｎｄＳＹＳＮＯＩＳＥ
ＣＵＩＳｈｕ—ｍｅｉ，
ＹＵＴｉａｎ—ｄａ，
ＳＯＮＧＬｉ—ｗｅｉ
ｏｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅ
ｔｏ
ｂｅｌａｃｋｏｆｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｃｏｍｐａｆｉｓｉｏｎｉｎｔｈｅ
ｎｏｉｓｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｏｔｏｒｂｙＡＮＳＹＳ—ａｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅ
ｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｅｄ
ａ
ｃｏ—ｓｉｍ—
ｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈＡＮＳＹＳａｎｄＳＹＳＮＯＩＳＥ－ａｂｏｕｎｄａｒｙｅｌｅｍｅｎｔｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆ
ａ
ｍｅｔｈｏｄ（ＢＥＭ）ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ
ｗａｓ
ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔ（ＰＭＤＣ）ｍｏｔｏｒ
ａｓ
ｂｕｉｌｔ，ａｎｄｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎ・
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ
ｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｔｏｔｈｅＳＹＳＮＯＩＳＥ
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ｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｉｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ．ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｉｓ８．５％ａｎｄｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｗｅｒｅｍｅｔ．Ｔｈｅｐｒｅ－ｐｒｏ・ｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｉｍｐｏｒｔｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｇｒｉｄｓａｎｄ
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ｗａｓ
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ｉｎｔｕｉｔｉｖｅａｎｄｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｔｏｂｅｃｏｍｐａｒｅｄ
ｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｔｏｒ；ｎｏｉｓｅ；ｆｉｎｉｔｅ
ｅｌｅｍｅｎｔ；ｂｏｕｎｄａｒｙｅｌｅｍｅｎｔ；ｓｏｆｔｗａｒｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ
ｏ引言
电机气隙磁场引起的电磁激振力作用于电机结
收稿日期：２０１０—０５一１９
基金项目：国家自然科学基－全（５１０７７０２４）
筹言盖蓄＿；；：并雾茎萎鲨然蠹徽
采用解析法计算电机噪声辐射Ｈｅ，通常将其近似等
作者简介：崔淑梅（１９“一）。女。博士．教授，博士生导师，研究方向为电机及控制等；
于天达（１９８５一），男．硕士研究生。研究方向为永磁电机的振动与噪声；宋立伟（１９７０一），男．博士．教授，博士生导师。研究方向为电机设计与工艺等。
万方数据
电机与控制学报
第１５卷
效为平面辐射器、无限长圆柱形辐射器或球形辐射器¨。２１。然而，实际电机结构复杂，这种方法误差较大，也不能精细地分析与优化电机。数值法可解决复杂结构的计算问题【３。５ｊ。
ＡＮＳＹＳ是基于有限元法的一个分析软件，可以分析电机的电磁学特性和热力学特性，也可进
行结构振动分析，但用于电机的噪声分析时，只能
得到振动特性，不能进一步得到电机的声响特性。
尤其是实验一般测得的是电机声响特性，仿真结
果不能直接与实验结果相对应，需要进一步处理。ＳＹＳＮＯＩＳＥ是一个专业振动与声学分析软件，可以直接得到声响特性，目前其主要应用于船舶、管道等领域哺。８ｊ。
ＳＹＳＮＯＩＳＥ善于处理复杂结构的振动声学问
题，但没有有限元和边界元网格生成前处理功能；
ＡＮＳＹＳ善于进行网格前处理以及结构振动分析。
因此进行复杂结构噪声数值分析时，就需要采用ＡＮＳＹＳ和ＳＹＳＮＯＩＳＥ进行联合仿真，如文献［９］研
究了处理弹性结构水下振动和声辐射问题时ＡＮ—
ＳＹＳ和ＳＹＳＮＯＩＳＥ之间的数据接口技术，文献［１０］
将两软件联合成功地对鱼雷振动及声学特性进行了分析。
由于电机与上述两系统的结构和激振力产生原因不同，因此，以一台永磁直流电机为例，从电机有限元模型的建立、电磁激振力的计算、模型网格导人、边界条件的加载几个方面，研究将ＡＮＳＹＳ和
ＳＹＳＮＯＩＳＥ联合进行电机噪声数值分析的具体
方法。１
基于ＳＹｓＮＯＩｓＥ电机噪声分析方法
以某汽车发动机冷却风扇用４极２０槽１５０
Ｗ
永磁直流电机为例，探讨结合ＡＮＳＹＳ和ＳＹＳＮＯＩＳＥ
软件平台进行声辐射仿真分析的方法。１．１分析流程
采用ＳＹＳＮＯＩＳＥ和ＡＮＳＹＳ进行声学计算分析
的流程如图ｌ所示。
１）在ＡＮＳＹＳ中进行三维建模，并用实体单元（Ｓｏｌｉｄ１８６）和壳单元（ｓｈｅｌｌ９１）进行网格划分，保存为木．ｃｂｄ文件。
２）在ＡＮＳＹＳ中进行结构的谐响应分析，将振动位移数据保存为宰．ｆｒｅ文件。
３）将网格模型（｝．ｃｂｄ）和结构振动边界条件
（木．ｆｒｅ）导人ＳＹＳＮＯＩＳＥ，并设置自由边界条件、流
体属性，求解频率范围和步长。
４）声学响应求解。
万方数据
１
图１
ＡＮＳＹＳ与ＳＹＳＮＯＩＳＥ联合仿真流程
Ｆｉｇ．１
Ｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｒｔ
ｏｆ∞－ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｉｎ
ＡＮＳＹＳａｎｄＳＹＳＮＯＩｓＥ
在图ｌ所示的仿真流程步骤１）中采用实体单
的声学边界元模型；考虑到步骤２）中计算得到的电机的振动频响特性，在声学计算中要作为ＳＹＳ－ＮＯＩＳＥ声学边界元模型的输入边界激励条件加入，因此将有限元模型进行抽壳处理，并对整机结构外声场计算结果影响较小的局部特征（如部分附件、
螺栓孔、机壳内永磁体等）进行进一步简化，但节点
不进行任何处理，以保持有限元模型与边界元模型节点的一致性，从而保证数据导人的正确性。另外，
在边界元的噪声辐射计算中，单元的细化程度由结
构总体尺寸和声学流体域中预计算得到的最高频率数值决定，所选单元特征尺寸必须小于由最高关心频率所决定的声波波长的１／６时，声学量结果的计算精确度方可满足要求【６】。综合考虑计算可以达
到的精确度、建模的复杂程度以及求解成功的可能性，本文中机壳选用四边形单元，端盖选择三角形单元实现边界元网格模型的离散，并确定声边界元网格所取的单元长度最大为５ｍｍ，以保证所要分析的模型频率精确度控制在６６１Ｈｚ以下。
图２（ａ）为整机实体模型，图２（ｂ）为结构有限元分析中简化的有限元模型，图２（ｅ）为经抽壳、单元翻转等操作后的边界元模型。边界元模型共有节点８９２８个，单元３４３６个，边界元模型能够满足高频计算的要求。
１．２模型建立方法
元网格划分技术，而边界元不能采用实体单元，因此
必须对原有限元模型进行适当处理才可转化成相应
第９期崔淑梅等：基于ＡＮＳＹＳ和ＳＹＳＮＯＩＳＥ的电机噪声仿真分析方法
６５
将ＡＮＳＹＳ分析所得的位移边界条件通过ＳＹＳ・
蛾◆
（ａ）实体模型
（ｂ）有限元横型
（ｃ）边界兀模型
ＮＯＩＳＥ预设的与有限元软件间的接口导人边界元计
算模型中，即完成了主要边界条件的施加。但ＳＹＳ－
ＮＯＩＳＥ能够识别的数据格式与有限元计算结果存在一定的差别，需要编制格式转换程序将响应计算结果转换为ＳＹＳＮＯＩＳＥ能够识别的数据文件。图４为
格式转换程序框图。ＳＹＳＮＯＩｓＥ会根据有限元和边
界元网格间的关系，利用转换后的数据文件自动探测耦合表面，实施正确的模型边界条件传递，这样便实现了ＡＮＳＹＳ与ｓＹＳＮＯＩＳＥ的接力分析。
图２声辐射分析模型的建立
ｎｇ．２
ＥｓｔａｂＵｓｈｍｅｎｌｏｆｍｏｄｅｌｆｏｒａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｊ血ｆｉｏｎ
１．３边界条件施加方法
作用在永磁直流电机上的激振力所产生的位移
响应通过ＡＮＳＹＳ计算得到。所分析的小型永磁直流电机的噪声主要由电磁激振力产生，其来源有径向电磁力、转矩脉动和不平衡磁拉力，其中径向电磁力主要是由定子主波磁场与转子齿谐波磁场产生；转矩脉动为永磁体与电枢齿间相互作用力的切向分量的波动以及绕组感应电流纹波所引起；不平衡磁
拉力主要由装配误差所致，通常通过工艺手段可以
控制在允许的范围内，与前两项相比较小，计算时暂
不考虑。
图４数据文件转换程序框围
Ｆｉｇ．４
通过分析可知，４极２０槽１５０Ｗ永磁直流电机径向电磁力和脉动转矩的主要谐波次数为２０次、４０次和６０次，其中加次谐波成分最大，而且齿槽转矩谐波幅值与转速无关，而电磁转矩谐波幅值随转速正比下降，电磁转矩各次谐波与齿槽转矩相应谐波发生矢量叠加，导致２０次谐波彼此增强，成为主要成分。电机电磁力的２０次谐波作用在结构上产生
振动变形为４阶，图３为电磁力谐响应分析所得的
ｅｒｏｇｒａｍｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｆｉｌｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ
２仿真计算及结果分析
建立上述边界元模型并施加边界条件后，就可
以利用ＳＹＳＮＯＩＳＥ软件计算电机的声学特性。图５
为电机机壳表面振速云纹图，表示机壳表面振动速度的分布情况。图６（ａ）为球面空间的声压云纹图，
黝敢瓯哙
Ｆ咤．３
图３电机振型的有限元仿真结果
ＦＥＭｒｅｓｕｌｔｓｏｆｍｏｄｅｓｈａｐ８ｆｏｒｔｈｅｍｏｔｏｒ
ｒｉｇ．５
■蓦＿
图５机壳表面振速（４３０Ｈｚ）
Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ印ｅｅｄｏｆ
＿
ｓｈｅｌｌ∞ｒｆ妇（４３０Ｈｚ
万方数据
电机与控制学报
通过图６（ａ）可以得到电机在其周围空间噪声辐射
第１５卷
的分布情况。计算所选场点为图６（ｂ）所示的球心
位于电机机壳结构中心，半径为０．１ｍ的球面场点。
３实验验证
实验在半消声室中进行，噪声测试装置为ＢＫ２２３８噪声计和南京安正ＣＲＡＳ信号分析系统。为了减少计算时问，仿真时建立的是半径为０．１ｍ的球面并计算该面上的噪声值，实验时测试的也是
距离中心０．１ｍ的相应点。实验中使电机分别在
４００～２０００
然后可以求取图中任何一点的声压频响函数。图７为图６（ａ）中场点１２２处的声压频响函数，通过图７
可以得到电机在其额定转速范围内变化时的噪声辐
射情况。声学频响分析中采用窄频程，计算频率为
１３３～６６１２０００
Ｈｚ，步长为３３Ｈｚ（对应电机转速为４００—ｒ／ｒａｉｎ（步长为１００ｒ／ｍｉｎ）的各转速工作
ｒ／ｒａｉｎ，步长为１００ｒ／ｒａｉｎ）。点上稳定旋转，测试得到了各转速点的噪声频谱。
“…’＿…
帆删＿¨ｍ船
利用所建立的仿真方法，计算电机的的噪声频谱，图８为举例点６００ｒ／ｒａｉｎ（对应４３０Ｈｚ）时的情况。求出２０次电磁力波所激发的噪声幅值，将各转速点所对应的２０次电磁力波所激发的噪声幅值综合到一起，即可得到电机在额定转速范围内变化时噪声的实际辐射情况，如图９所示。与仿真结果相比，实测值与仿真结果存在一定的误差，最大相对误
…一．．＋。
差为８．５％。产生误差的主要原因为：电机在实际运行中２０次力波除了含有文中所给定的径向电磁力以外还有齿槽转矩等力波成分；另外，实验所测得
刷果吲是
。。，－¨…
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６００
图６场点网格模型及声压（４３０Ｈｚ）
Ｍｅｓｈｍｏｄｅｌａｎｄａｃｏｕｓｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆ
ｆｉｅｌｄ
频率／ｋＨｚ
图８
Ｆｉｇ．８
ｐｏｉｎｔ（４３０Ｈｚ）
ｒ／ｒａｉｎ时噪声频谱图
Ｎｏｉｓｅｆｌｐｅｃｌｔｒｏｇｒａｍａｔ６００ｒ／ｍｉｎ
／
／
罩出
／
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，
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｛出
一
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—Ｆ
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，
忸
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＋仿直结果
图７场点１２２处频响函数
＿毡．７
Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
图９不同转速下噪声实测与仿真结果对比
ｐｏｉｎｔ
１２２
Ｆｉｇ．９
Ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
ｒｅｓｐｏｎｓｅ
ｆ．ｍｃｔｉｏｎｏｆｆｉｅｌｄ
ａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
万方数据
第９期崔淑梅等：基于ＡＮＳＹＳ和ＳＹＳＮＯＩＳＥ的电机噪声仿真分析方法
６７
４
结语
本文研究了利用ＡＮＳＹＳ与ＳＹＳＮＯＩＳＥ联合进
行永磁直流电机全三维整体模型振动声学数值计算
的方法。建立了基于有限元技术的结构动力计算模
型。提取了基于边界元技术的噪声预测模型，给出了
能将动力响应计算结果转换为ＳＹＳＮＯＩＳＥ可识别的
数据文件的转换方法。计算输出了机壳表面振速云纹图、场点声压云纹图和场点声压的频响函数，联合仿真直接给出了噪声频谱和噪声辐射结果。通过仿
真结果与实验结果对比，得到最大相对误差为
８．５％，计算精确度满足了工程设计需要。
该方法既利用了ＡＮＳＹＳ较容易建立电机结构模型，得到振动特性的优点，又发挥了ＳＹＳＮＯＩＳＥ可
以快速得到声响特性的优势，加快了计算速度，仿真
结果亦直观，方便与实验结果相比较。
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（编辑：于双）
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基于ANSYS和SYSNOISE的电机噪声仿真分析方法
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
崔淑梅， 于天达， 宋立伟， CUI Shu-mei， YU Tian-da， SONG Li-wei哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨,150001电机与控制学报
Electric Machines and Control2011,15(9)
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_djykzxb201109011.aspx