电机电磁震动和噪声分析流程课件.pptx

1、ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声分析流程简介电机电磁、震动和噪声分析流程简介本例将重点展示，如何在ANSYS Workbench平台下，电机的电磁、震动和噪声的耦合分析流程。本例以永磁同步电机模型为例。在Maxwell 2D中，利用该电机的1/8模型，计算定子内表面径向和切向磁拉力；然后在ANSYS Mechanical中进行该电机三维定子的谐响应分析；最后在ANSYS Mechanical ACT中进行三维声场分析。在Workbench中，Maxwell中计算的定子内表面径向和切向磁拉时域力密度分布，作为激励

2、源，耦合到Mechanical 中进行频域的谐响应分析；谐响应分析的结果，作为激励耦合到ANSYS Mechanical ACT 中，作为噪声分析的激励。本例目的在于展示电磁场、谐响应以及声场的耦合分析和数据传递流程，描述关键步骤。如要查看具体操作，可查看ANSYS公司的其他相关培训教程。软件要求软件要求本例中的电磁、震动和噪声的耦合分析，需要需要使用Maxwell V2014 、ANSYS Mechanical R15版本。需要安装ANSYS Workbench ，并且Maxwell、 Mechanical都集成到Workbench界面中。需要安装并激活 Acoustics ACT 选项1

3、1ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程导入导入Maxwell Maxwell 文件文件选择 Workbench 菜单 File ImportFile Import将默认的文件类型改为 Maxwell Project File (Maxwell Project File (* *.mxwl).mxwl)浏览到 Maxwell 文件保存的路径选择文件 “Ex_MaxwellTra“Ex_MaxwellTransient_nsient_ Harmonic Harmonic _ _AcousticAcoustic.mxwl.mxwl” ”，并

4、打开。启动启动ANSYS WorkbenchANSYS Workbench启动启动WorkbenchWorkbench选择 Windows 开始开始菜单，点击 All Programes ANSYS 15.0 All Programes ANSYS 15.0 Workbench 15.0Workbench 15.0确保Maxwell 2D、Harmonic Response 等求解器，显示在Workbench左侧的窗口中，如右图。导入导入Maxwell Project Maxwell Project 文件文件用户可以在 Workbench 中启动 Maxwell 2D，并新建分析 projec

5、t；也可以在Workbench 导入已有的 Maxwell project 文件。本例采用后者。2 2ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程启动启动 MaxwellMaxwell导入 Maxwell 文件成功后，在 Workbench 的工作区会出现一个Maxwell Design。启动启动 MaxwellMaxwell双击 Maxwell Design 上的 Maxwell 2D 标签，弹出 Maxwell 2D界面。Maxwell Maxwell 分析模型介绍分析模型介绍分析模型为 Prius 电机的二维分析模型。瞬态分析模型的各项

6、设置已经设置好。如需要详细了解如何设置电机的瞬态分析模型，请查看其他相关培训文件。Maxwell Maxwell 模型修改模型修改为了精确分析定子齿部的径向电磁力，并将力密度的分布耦合到后续的谐响应分析中。需要将定子齿部“分割”出来，并施加更细密的网格剖分。定子铁心定子铁心Phase APhase APhase BPhase BPhase CPhase C磁钢磁钢转子转子 轴轴Phase Phase C C3 3ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程几何模型修改修改选择模式1.选择菜单 Edit Select Edit Select O

7、bjects Objects ；2.或从键盘，点击快捷键 “O” “O” 。复制定子铁心1.用鼠标，在图形窗口点击定子铁心。2.点击，菜单 Edit Edit Copy Copy3.点击，菜单 Edit Edit Paste Paste 4.在模型列表里面，会多出来一个物体 Stator1Stator1。建一个辅助圆1.点击菜单 Draw Draw Circle Circle ；2.在坐标输入区域，输入圆心的坐标点X:0 ； Y:0 ； Z:0 ；点击回车键确定。3.在坐标输入区域，输入半径dX:84 ； dY:0 ； dZ:0 ；点击回车键确定。4.在模型列表里面，会出现新部件 Circle

8、3 Circle3 。建立定子齿尖部分模型1.按住Ctrl 键，先选择物体Stator1Stator1，再选择Circle3 Circle3 2.点击菜单， Modeler Boolean I Modeler Boolean Intersectntersect3.点击 OK 按钮建立定子背板模型1.按住Ctrl 键，先选择物体Stator1Stator1，再选择Stator1Stator12.点击菜单， Modeler Boolean Subtract Modeler Boolean Subtract 3.在弹出的窗口中，选择Blank Parts:Stator1Stator1；Tool Pa

9、rts: Stator1Stator14.选择 Clone tool objects before subtracting: : 5.点击 OK 按钮修改定子齿尖模型属性1.在模型列表选择物体Stator1Stator1，右键点击PropertiesProperties2.在弹出的属性窗口中，将 Name 改成 ToothTipsToothTips3.点击菜单 Modeler Modeler Boolean Separate Boolean Separate BodiesBodies4 4ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程网格网格剖

10、分剖分在原有网格剖分的基础上，加密网格剖分 加密定子齿尖网格剖分按住Ctrl 键，依次选择6个定子齿尖模型点击菜单Maxwell Maxwell 2D Mesh Operations Assign 2D Mesh Operations Assign OnSelection OnSelection Length Length BasedBased在弹出的 Element Length Based Refinement 窗口中，1.将 Name 改成 Length_ToothTipsLength_ToothTips2.Restrict length of Elements: 3.Maximum L

11、ength of Elements: 0.25 mm0.25 mm4.点击 OKOK改善曲线网格剖分选中所有的物体（ Ctrl + A）点击菜单 Maxwell 2D Mesh Operations Assign Surface Maxwell 2D Mesh Operations Assign Surface ApproximationApproximation在弹出的 Surface Approximation 窗口中，1.将名字改成 SurfApprox_ToothTipsSurfApprox_ToothTips2.设置 maximum surface deviation (length

12、) 为 0.001 mm0.001 mm3.点击 OKOK5 5ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程调整仿真时间与步长调整仿真时间与步长双击 Projects 管理窗口上的 AnalysisSetup1 AnalysisSetup1 设置仿真停止时间 Stop Time 为10ms10ms设置时间步长 Time Step 为 50us50us点击 OKOK激活瞬态激活瞬态电磁场与谐响应分析的耦合电磁场与谐响应分析的耦合分析分析选项选项激活瞬态电磁场与谐响应分析耦合分析选项点击菜单Maxwell2D Enable Harmonic Fo

13、rce CalculationMaxwell2D Enable Harmonic Force Calculation在弹出的Enable Harmonic Force Coulping 窗口中，1.选中Enable Force Calculation，2.在每一个齿尖模型的选择框中，打勾如下图。3.点击 OK 。Maxwell将会在最后一个完整周期， 计算每一个选中物体的瞬时电磁力， 并通过傅里叶分析，转化成频域的 电磁力数据，频率范围是从直流到 DC to 1/(2*dT).6 6ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程模型模型Vali

14、dationValidation检验检验检验 Maxwell 模型点击菜单 Maxwell 2D Maxwell 2D Validation CheckValidation Check点击 CloseClose 按钮NoteNote：在信息窗口中，参看错误和警告信息；如有错误信息，需按照提示修正错误。 Maxwell Maxwell 求解求解Maxwell求解点击菜单 Maxwell 2D Analyze Maxwell 2D Analyze AllAll查看查看 Maxwell Maxwell 仿真结果仿真结果关闭关闭 MaxwellMaxwell关闭 Maxwell 界面点击菜单File

15、Close DesktopFile Close Desktop保存保存 Workbench ProjectWorkbench Project保存保存 Workbench ProjectWorkbench Project返回到 Workbench 主界面中选择菜单 File SaveFile Save保存为文件名 “Ex_MaxwellTransient_ Harmonic _Acoustic.wbpj”“Ex_MaxwellTransient_ Harmonic _Acoustic.wbpj”7 7ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程

16、安装并激活安装并激活Acoustics ACTAcoustics ACT选项选项在Workbench主界面下，安装噪声计算插件Acoustics ACT。主要该插件只需要安装一次，若以前安装过，则可以跳过本步骤。点击 Workbench 菜单Extensions Install Extension Extensions Install Extension 在弹出的对话框中，选择 ”*.wbex” 文件(例如， ExtAcoustics_150.26.wbex)。安装插件激活Acoustics ACT选项点击 Workbench 菜单Extensions Manage Extensions Ex

17、tensions Manage Extensions 在弹出的 Manage Extensions 对话框中，选中 ExtAcoustics前面的单选框激活激活 Beta Beta 选项选项激活Beta选项点击 Workbench 菜单Tools - Options - Tools - Options - AppearanceAppearance选中Beta Option前的单选框8 8ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程建立谐响应分析系统建立谐响应分析系统新建新建谐谐响应分析响应分析在 Workbench 的 Analysis Sy

18、stem 窗口中，选择Harmonic response。并将Harmonic response 拖拽到Project Schematic 窗口中 Maxwell 的右边。导导入谐入谐响应分析几何模型响应分析几何模型导入谐响应分析导入谐响应分析几何模型几何模型右键点击 Harmonic response 分析上的 GeometryGeometry（B3B3）， 选择Import Import Geometry Geometry BrowseBrowse ， 选择培训用文件 “stator.x_t”。链接链接 Maxwell Maxwell 与与 Harmonic Harmonic respon

19、seresponse用鼠标连接 Maxwell 2D的下的 Solution（A4）与 Harmonic response 下的Setup（B5）9 9ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Update ProjectUpdate Project右键选择 Maxwell2D 下面的 Solution 标签 (A4) ，然后点击updateupdate启动启动 ANSYS Harmonic response ANSYS Harmonic response 双击谐响应分析中的 Model Model 标签（B4）在弹出的谐响应分析界面中，会

20、自动出现一个用于 Maxwell 数据耦合的标签。ANSYS Harmonic response ANSYS Harmonic response 单位设置单位设置点击菜单 Units Metric (mm, kg, N, s, mV, mA)Units Metric (mm, kg, N, s, mV, mA)1010ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程创建创建 Named Named SelectionSelection为了便于选择操作，预先定义几个Named Selection创建定子内表面 Named Selection “To

21、othTip”将选择模式切换到面，在图形窗口用鼠标选择任意一个定子齿的内表面右键点击 Create Create Named Selection Named Selection 在弹出的 Selection Name 对话框中，输入Named Selection的名字为ToothTipsToothTips选中Apply Geometry Items of Same Apply Geometry Items of Same 下面的 Size Size 单选框此时，应该定义了一个名为ToothTips 的 Named Selection，它包含定子的48个内表面创建固定用孔的Named Selec

22、tion “Bolts”方法与上一步类似1111ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程选择定子外表面的所有240个面，创建创建定子外表面的Named Selection “Stator_shell”新建柱坐标系新建柱坐标系新的柱坐标系用于显示径向的变形和应力分布。新柱坐标的圆心为坐标原点。ANSYS Harmonic response ANSYS Harmonic response 模型检查模型检查确认定子外壳与定子之间。接触良好，有一个 “Bonded Contact”的设置。1212ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪

23、声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Harmonic response Harmonic response 网格剖分网格剖分点击 Harmonic response 下面的 Mesh 标签，在属性窗口中定义下图设置右键 Generate Mesh1313ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程导导入入MaxwellMaxwell电磁电磁力力在Harmonic response 左侧的Project栏里面，左键点击Import Remote Loads Import Remote Loads (Maxwell2DSolutions

24、(Maxwell2DSolutions) )，在属性窗口中，1.将 scooping method 改成 Named Named SelectionSelection2.将下一行的 Named Selection 改成预先定义的ToothTipsToothTips右键点击Import Remote Loads (Maxwell2DSolutions)Import Remote Loads (Maxwell2DSolutions)，并左键点击Generate Generate Remote Remote loadsloads每一个定子齿部的电磁力/转矩被导入到谐响应分析中查看从查看从Maxwel

25、lMaxwell耦合过来的转矩和力耦合过来的转矩和力分布分布点击Import Remote Loads Import Remote Loads ( (Maxwell2DSolutionsMaxwell2DSolutions) ) 下面的列表，就可以查看电磁力和转矩1414ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程改变力的作用点设置改变力的作用点设置在 Import Remote Loads (Maxwell2DSolutions) Import Remote Loads (Maxwell2DSolutions) 的属性窗口中，设置Defin

26、ition Definition Remote PointsRemote Points 为 Globally availableGlobally available则在Harmonic response 左侧的Project栏中，会出现Remote PointsRemote Points1515ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程确保确保 ANSYS Mechanical ACT ANSYS Mechanical ACT 已经成功激活已经成功激活确保 ANSYS Mechanical ACT 已经成功激活。如果成功激活， Harmon

27、ic response 的工具栏中会出现一行用于噪声计算的工具定义噪声源传递定义噪声源传递文件文件在左侧的Project栏中，右键点击Harmonic response Harmonic response （B5B5） Insert One Way Insert One Way Coupling Analysis (ASI FileCoupling Analysis (ASI File) )在下方的Details of One Way Coupling Analysis (ASI File) 属性窗口中，1.将 scooping method 改成 Named SelectionNamed S

28、election2.将下一行的 Named Selection 改成预先定义的StatorStatorHarmonic response将会保存这些所选结构上的速度值，由于后续的噪声计算谐响应分析求解谐响应分析求解设置设置在左侧的Project栏中，右键点击Harmonic response Harmonic response （B5B5） Analysis Analysis settingssettings在下方的Details of Analysis settings 属性窗口中1.将 Range Maximum 设置成 10000Hz10000Hz2.将 Solution Interva

29、ls 设置成 25253.将 Solution Method 改成 FullFull4.注意以上三项设置，需要与Maxwell传递过来的频率匹配1616ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程施加固定边界条件施加固定边界条件在左侧的Project栏中，右键点击 Harmonic Harmonic response response （B5B5） Insert Insert Fixed support Fixed support 在下方的Details of “Fixed support” 属性窗口中1.将 scooping method

30、改成 Named SelectionNamed Selection2.将下一行的 Named Selection 改成预先定义的BoltsBolts谐响应分析求解谐响应分析求解在左侧的Project栏中，右键点击SolutionSolution（B6B6） ，然后左键点击SolveSolve1717ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程谐响应分析结果查看谐响应分析结果查看应力与变形单个齿上的速度曲线（bode图）1818ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程速度的幅值与相位（实际

31、值）1919ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程建立建立 ANSYS ANSYS Mechanical Mechanical ACT ACT 噪声噪声分析系统分析系统新建 ANSYS Mechanical ACT 分析在 Workbench 的 Analysis System 窗口中，选择Harmonic response。并将Harmonic response 拖拽到Project Schematic 窗口中的 C3 位置。将分析系统的名字改成 “Acoustic”导入导入噪声噪声分析分析几何模型几何模型导导入入噪声噪声分析分析几何

32、模型几何模型右键点击 Acoustic 分析上的 GeometryGeometry（C3C3）， 选择Import Geometry Import Geometry BrowseBrowse ， 选择培训用文件 “AcousticDomain.agdb”。启动启动 ANSYS Harmonic response ANSYS Harmonic response 双击谐响应分析中的 Model Model 标签（C4），启动ANSYS Mechanical ACTANSYS Mechanical ACTANSYS Mechanical ACT单位设置在弹出的ACT分析界面中，点击菜单 Units

33、Metric (mm, kg, N, s, mV, mAUnits Metric (mm, kg, N, s, mV, mA) )单位需要与谐响应分析一致2020ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Suppress Suppress 几何模型几何模型本例重在说明流程，为简化操作，只保留两个几何模型网格网格划分划分右键点击 Acoustic Project 窗口下的 Mesh 标签， Mesh Mesh Insert Insert SizingSizing在下方的Details of “Sizing” 属性窗口中1.在图形区域，右键选择

34、所有的物体2.在下一行的 Geometry ，选择 ApplyApply3.在 Element Size 中输入 3030右键点击 Acoustic Project 窗口下的 Mesh 标签， Mesh Insert Mesh Insert MethodMethod在下方的Details of “Automatic Method” 属性窗口中1.在图形区域，右键选择所有的物体2.在下一行的 Geometry ，选择 ApplyApply3.在 Method 中选择TetrahedronsTetrahedrons右键点击 Acoustic Project 窗口下的 Mesh 标签， Mesh G

35、enerateMesh Generate Mesh Mesh2121ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程定义声音传播区域材料属性定义声音传播区域材料属性在Acoustic的工具栏中，点击Acoustic BodyAcoustic Body在下方的Details of “Acoustic Body” 属性窗口中1.在图形区域，右键选择所有的物体2.在下一行的 Geometry ，选择 ApplyApply3.定义空气密度和声音传播速度，默认为空气定义耦合噪声定义耦合噪声源源在Acoustic的工具栏中，点击Analysis Settin

36、g One Way Coupling Analysis (ASI Analysis Setting One Way Coupling Analysis (ASI File)File)在下方的Details of One Way Coupling Analysis (ASI File) 属性窗口中，1.将 Analysis Type 改成 AcousticAcoustic2.将 Conforming mesh 改成 No (BetaNo (Beta) )3.将 Corresponding Structural Analysis 改成 Harmonic Response: Harmonic Res

37、ponse: SYSSYS2222ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程4.选择所有的定子外表面，在 Geometry 后面点击 ApplyApply添加噪声计算添加噪声计算边界条件边界条件在Acoustic的工具栏中，点击Boundary Conditions Boundary Conditions Radiation Radiation BoundaryBoundary在下方的Details of Acoustic Radiation Boundary 属性窗口中，1.选择噪声区域的外表面2.在 Geometry 后面点击 Appl

38、yApply2323ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程噪声分析求解设置噪声分析求解设置在左侧的Project栏中，右键点击Harmonic response Harmonic response （C5C5） Analysis settings Analysis settings在下方的Details of Analysis settings 属性窗口中1.将 Range Maximum 设置成 10000Hz10000Hz2.将 Solution Intervals 设置成 25253.将 Solution Method 改成 FullFull4.注意以上三项设置，需要谐响应分析匹配5.因为噪声分析需要抽取谐响应分析的结果，所以将save the MAPDL db 改成“ “YesYes” ”噪声噪声求解求解在左侧的Project 栏中，右键点击SolutionSolution（C6C6） ，然后左键点击SolveSolve2424ANSYS ANSYS 中国中国电机电磁、震动和噪声耦合分析流程电机电磁、震动和噪声耦合分析流程噪声分析结果查看噪声分析结果查看声压和SPL某点的声压与噪声强度2525