电机电磁力振动噪声仿真分析

目前对电机电磁力及振动和噪声仿真分析主要包括两个层次，一个层次是电磁力特性分析，另一个层次是磁-固耦合分析。

（1）电磁力特性分析。采用二维有限元方法，根据麦克斯韦张量法计算出气隙中产生的一系列在时间和空间上周期变化的电磁力波，如图4-10所示，对电磁力波进行二维傅里叶分析，可以得到电磁力在空间和时间域上的分布情况，如图4-11所示，即可得到电磁力的阶数和频率特性。

图4-10 电磁力在气隙中的分布情况

电磁力特性仿真有助于分析电机振动和噪声特性，由于阶数高、幅值小的电磁力对电机振动和噪声影响较小，因此主要关注阶数较低、幅值较大的电磁力，以及与定子固有模态频率接近的电磁力。提取阶数相对较低、幅值较大的电磁力，即可得到电机主要电磁力分布情况。

表4-6为一台9槽6极电机电磁力谐波分解情况，其中频率为6f₀，阶数为6的基波电磁力幅值是最大的。此外，3阶电磁力幅值也较大，电磁力阶数低，可引起更明显的振动和噪声问题。

图4-11 电磁力在空间和时间域上的分布情况(www.xing528.com)

表4-6 9槽6极电机电磁力谐波分解 （单位：kN/m²）

（2）磁-固耦合分析。电机的电磁振动问题是电机的电磁场和结构场相互耦合的多物理场问题。首先通过电磁场计算得到电机电磁力在时间和空间上的分布，然后将求得的电磁力作为载荷加载到电机的结构场模型中，采用模态叠加或者瞬态分析方法求得电机的振动。从电磁场和结构场的耦合方式来看，电机的电磁振动分析方法大致可以分为磁-固弱耦合分析方法和磁-固强耦合分析方法两类。

1）电机的磁-固弱耦合分析。通过电磁有限元求得不同时刻下电机受到的电磁力，然后在结构有限元仿真中导入电磁有限元中得到的电磁力，通过模态叠加或瞬态结构有限元仿真来求得电机定子的振动响应。弱耦合的方法忽略了电磁力引起的结构变形对磁场及磁弹性的影响。已有的研究表明，对于尺寸不是很大的中小型电机，其精确度也是足够的。

2）电机的磁-固强耦合分析。在研究电机在电磁力作用下的振动特性时，不但要考虑电机电磁力对结构场的影响，还要考虑结构场的变化对电磁场的影响。强耦合的电磁和结构有限元仿真需要考虑应力对材料磁性能的影响，为非线性有限元仿真。但在工程当中一般很难得到材料在不同应力时的特性曲线，因此在实际仿真当中很难予以考虑。

目前一些商用有限元软件，例如ANSYS，能够实现电磁-结构-噪声弱耦合仿真分析，实现电机振动和噪声自动化分析流程，流程图如图4-12所示。