異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁噪聲數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證

龍英睿，張冬妮，張吉健

（1.江蘇中車電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412000；2.懿朵信息科技有限公司，上海 201108）

發(fā)電機(jī)已廣泛應(yīng)用于風(fēng)電、汽車、家電等工程領(lǐng)域，其振動(dòng)噪聲問(wèn)題也越來(lái)越受到重視。發(fā)電機(jī)噪聲可分為電磁噪聲、機(jī)械噪聲和空氣噪聲。電磁噪聲與氣隙內(nèi)的諧波磁場(chǎng)及由此產(chǎn)生的電磁力波幅值、頻率和極數(shù)，以及定子本身的振動(dòng)特性（如固有頻率、阻尼、機(jī)械阻抗）均有密切的關(guān)系，還與電機(jī)定子的聲學(xué)特性有很大關(guān)系。以上三種噪聲中，機(jī)械噪聲所占成分較少，由空氣動(dòng)力引起的噪聲往往可以通過(guò)成熟的CFD手段來(lái)預(yù)測(cè)與優(yōu)化，而由電磁力引起的電磁噪聲由于涉及多物理場(chǎng)耦合，其數(shù)值分析具有一定的挑戰(zhàn)。

大中型異步電動(dòng)機(jī)的噪聲比較高，目前仍然是電機(jī)設(shè)計(jì)的一大難題。電磁噪聲與激振電磁力和機(jī)械振動(dòng)模態(tài)均息息相關(guān)，當(dāng)電磁力波和定子模態(tài)的階次一致且頻率相接近時(shí)，會(huì)導(dǎo)致定子共振從而引起大的電磁噪聲，為了避免共振以降低電磁噪聲，需要利用有限元法研究激振電磁力和機(jī)械振動(dòng)模態(tài)。本文將以某異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例進(jìn)行電磁振動(dòng)與噪聲數(shù)值計(jì)算，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果具有良好的吻合性，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和可行性，后續(xù)在發(fā)電機(jī)前期開發(fā)階段采用數(shù)值模擬對(duì)其電磁噪聲進(jìn)行快速預(yù)測(cè)與優(yōu)化，為發(fā)電機(jī)低噪聲設(shè)計(jì)及選型提供工程指導(dǎo)。

1 基于聯(lián)合仿真的發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲的計(jì)算

1.1 發(fā)電機(jī)電磁噪聲理論基礎(chǔ)

發(fā)電機(jī)可看作電機(jī)的逆過(guò)程，與一般電機(jī)電磁噪聲基本相同，電機(jī)電磁噪聲主要是由電磁力作用在定、轉(zhuǎn)子間氣隙中，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力波或脈動(dòng)力波，促使定子產(chǎn)生高倍數(shù)電源頻率的振動(dòng)而引起的。

定、轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生的電磁力可分解為切向和徑向兩個(gè)分量，切向分量是與電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的反作用力，它使定子齒根產(chǎn)生局部變形，對(duì)電磁噪聲影響不大，徑向分量使定子鐵心產(chǎn)生振動(dòng)變形，是電磁噪聲的主要來(lái)源，單位面積的徑向電磁力Fr的數(shù)值及分布按（1）式計(jì)算：

電磁力作用在電機(jī)定子上，使其產(chǎn)生振動(dòng)，電機(jī)的無(wú)阻結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程可表示為：

式中：M、K分別表示系統(tǒng)質(zhì)量、剛度矩陣，{x(t)}為偏離原平衡位置的廣義位移矢量。

電機(jī)結(jié)構(gòu)在電磁力作用下振動(dòng)對(duì)外輻射噪聲，聲波傳播過(guò)程的波動(dòng)方程為：

1.2 技術(shù)路線

電機(jī)振動(dòng)噪聲系統(tǒng)是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合的系統(tǒng)，預(yù)測(cè)電機(jī)電磁噪聲需要計(jì)算電磁、結(jié)構(gòu)與噪聲耦合場(chǎng)，即建立電機(jī)電磁-振動(dòng)-聲學(xué)單向耦合分析模型，首先將通過(guò)電機(jī)電磁建模分析輸出電磁力結(jié)果，然后將電磁力數(shù)據(jù)映射到結(jié)構(gòu)有限元模型輸出振動(dòng)結(jié)果，最后建立聲學(xué)模型進(jìn)行聲輻射計(jì)算，并預(yù)測(cè)電機(jī)電磁噪聲，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電磁-振動(dòng)-噪聲多物理場(chǎng)耦合的方法計(jì)算電磁噪聲，其技術(shù)路線如下圖1。

圖1 電機(jī)電磁-結(jié)構(gòu)-聲學(xué)耦合分析技術(shù)路線

1.3 發(fā)電機(jī)電磁分析

利用Infolytica軟件的MagNet模塊來(lái)完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁與電磁力計(jì)算。電磁計(jì)算模型可直接在MagNet中建立，通過(guò)邊界設(shè)定、材料屬性設(shè)定和網(wǎng)格劃分等操作，經(jīng)過(guò)電磁計(jì)算得到電磁模型單元節(jié)點(diǎn)電磁力，經(jīng)過(guò)自編電磁噪聲接口程序轉(zhuǎn)換，輸出結(jié)構(gòu)軟件Ansys可讀取的電磁力數(shù)據(jù)格式，以便進(jìn)行后續(xù)振動(dòng)計(jì)算。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的磁密、電磁諧波及電磁力波分析結(jié)果如下圖2。

圖2 磁密及磁力線分布圖

從圖2可以看出，發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)分布對(duì)稱，磁密值在合理的范圍內(nèi)，且均在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，滿足電磁方案磁密設(shè)計(jì)的要求。

圖3 電磁諧波圖

從圖3可以看出，發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的氣隙基波磁密為0．69T，但基波磁密對(duì)噪聲是無(wú)影響的，可忽略，發(fā)現(xiàn)6、8、11、13次諧波較大，對(duì)電磁噪聲影響較大，需要重點(diǎn)關(guān)注。

從圖4可以看出。

圖4 定子齒電磁力波圖

（1）總體而言，電磁力波頻率主要分布在2000Hz以下，主要集中在0～500Hz和1200～1800Hz頻段，主要電磁噪聲也將集中在此頻段。

（2）可以看出，在關(guān)鍵頻率點(diǎn)如50Hz、100Hz、150Hz、200Hz等為電源工頻的整數(shù)倍，是電源諧波引起的典型電磁噪聲；在1452Hz等位置有較大的峰值，這是典型的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)頻造成的電磁諧波。

（3）發(fā)電機(jī)在高頻1452Hz附近幅值比低頻100Hz處幅值較小，但由于人耳對(duì)低頻噪聲不敏感，即100Hz附近噪聲對(duì)總聲壓級(jí)貢獻(xiàn)較小，而1452Hz附近可能為主要電磁噪聲源。

1.4 發(fā)電機(jī)模態(tài)分析

發(fā)電機(jī)原始模型為電機(jī)裝配體結(jié)構(gòu)，由于原始模型部件較多，且部件之間的連接關(guān)系復(fù)雜，如轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、螺栓等，直接對(duì)原始模型進(jìn)行模態(tài)分析會(huì)造成網(wǎng)格單元較多、分析周期冗長(zhǎng)，因此需要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，前提是簡(jiǎn)化后的電機(jī)結(jié)構(gòu)模型在性能上與原始模型差別不大，經(jīng)模態(tài)計(jì)算后，整機(jī)模態(tài)在4500Hz以內(nèi)大約有800階，這里不一一列出，只列出典型模態(tài)頻率和振型如下圖5、圖6。

圖5 定子及機(jī)座有限元模型示意圖

圖6 模態(tài)振型圖（上：定子，下：機(jī)座）

模態(tài)分析結(jié)論如下。

（1）主要提取了4500Hz以內(nèi)的模態(tài)振型和頻率，實(shí)際上在高頻如1000Hz以上模態(tài)比較密集，難以區(qū)分其具體振型結(jié)構(gòu)。

（2）模態(tài)計(jì)算結(jié)果將作為后續(xù)的發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)頻計(jì)算的輸入。

1.5 發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)分析

將1．3節(jié)計(jì)算得到的電磁力結(jié)果進(jìn)行節(jié)點(diǎn)插值到1．4節(jié)的模態(tài)分析模型上，完成電磁到振動(dòng)分析模型的電磁力加載，然后進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算，可以得到發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)在電磁激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果，作為后續(xù)的聲輻射計(jì)算的輸入。不同頻率下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移如下圖7所示。

圖7 發(fā)電機(jī)殼體振動(dòng)位移云圖

1.6 發(fā)電機(jī)電磁噪聲分析

在完成1．5節(jié)發(fā)電機(jī)電磁激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)后，將發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)速度或者位移作為聲學(xué)計(jì)算的邊界條件，并將其映射在聲學(xué)面網(wǎng)格上，在電機(jī)結(jié)構(gòu)外壁面包絡(luò)生成聲學(xué)有限元網(wǎng)格作為聲學(xué)計(jì)算的近場(chǎng)網(wǎng)格，計(jì)算電磁輻射噪聲。Actran求解發(fā)電機(jī)電磁噪聲時(shí)，聲學(xué)分析流程如圖8所示。

圖8 發(fā)電機(jī)電磁聲輻射計(jì)算流程圖

電機(jī)聲學(xué)計(jì)算網(wǎng)格模型及虛擬麥克風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)布置如圖9和圖10所示。

圖9 聲學(xué)計(jì)算網(wǎng)格模型示意圖

圖10 虛擬麥克風(fēng)點(diǎn)布置示意圖

在Actran中經(jīng)過(guò)聲學(xué)求解計(jì)算可以輸出聲輻射數(shù)據(jù)。其中圖11為發(fā)電機(jī)在頻率1275Hz下的聲壓云圖（單位：dBA），表示發(fā)電機(jī)殼體輻射聲壓的分布情況。

圖11 發(fā)電機(jī)輻射聲壓云圖分布（1275Hz）

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)本體進(jìn)行了噪聲測(cè)試，測(cè)試工況及監(jiān)測(cè)點(diǎn)與仿真保持一致。圖12和圖13分別為仿真與測(cè)試的聲功率圖。

圖12 發(fā)電機(jī)聲功率仿真結(jié)果

圖13 發(fā)電機(jī)聲功率測(cè)試結(jié)果

從圖11～13可以看出，發(fā)電機(jī)電磁噪聲總聲功率級(jí)仿真值為99dBA、測(cè)試值為96．7dBA，仿真與測(cè)試結(jié)果較為接近，說(shuō)明計(jì)算模型是準(zhǔn)確的。仿真計(jì)算得到電磁噪聲峰值位置為1452Hz，與測(cè)試結(jié)果相同，兩者具有較好的一致性，同時(shí)也可以看出在某些頻率下（如508Hz等）聲壓出現(xiàn)峰值，該頻率與電機(jī)定子結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率相吻合，采取改變結(jié)構(gòu)剛度或增加阻尼等方式以便避開電磁激勵(lì)頻率，可有效抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而降低噪聲。

2 結(jié)語(yǔ)

（1）研究了利用電磁、結(jié)構(gòu)與聲學(xué)軟件進(jìn)行發(fā)電機(jī)全三維模型電磁噪聲的多物理場(chǎng)耦合計(jì)算方法，預(yù)測(cè)了電磁噪聲水平，與試驗(yàn)測(cè)試相比，兩者結(jié)果一致性好，仿真預(yù)測(cè)方法可信。

（2）仿真計(jì)算得到的電磁噪聲峰值頻率為1452Hz，與測(cè)試結(jié)果吻合，從側(cè)面驗(yàn)證電機(jī)電磁噪聲源主要分布在1452Hz左右，為工程降噪提供了指導(dǎo)方向。

（3）本文提出的電磁噪聲計(jì)算方法可用于電機(jī)電磁噪聲的研究與分析，為低噪聲發(fā)電機(jī)或電機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供工程指導(dǎo)，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)電磁噪聲進(jìn)行前期預(yù)測(cè)與優(yōu)化，減少后期由于噪聲超標(biāo)所導(dǎo)致的費(fèi)時(shí)費(fèi)力的優(yōu)化工作，從而提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

（4）后續(xù)將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步做優(yōu)化與分析工作，對(duì)不同電磁方案的電磁噪聲進(jìn)行分析，研究噪聲性能較好的電磁設(shè)計(jì)方案，如對(duì)不同齒槽配合、開口槽與閉口槽等進(jìn)行優(yōu)化分析等。同時(shí)還將針對(duì)原量產(chǎn)的發(fā)電機(jī)產(chǎn)品通過(guò)試驗(yàn)手段分析電磁噪聲特性，找出電磁噪聲偏大的原因，提出工程降噪治理方案，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

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