電動機與發電機等電力設備的噪聲起因很多，有電磁振動噪聲、機械噪聲及流致噪聲等等，本文通過ANSYS公司的官方案例為操作背景，詳細介紹如何將作用在定子上的瞬態電磁力作為結構諧響應分析的載荷計算振動噪聲。
1.電磁模型建立與分析
如圖1所示為一個電機模型，電機的額定輸出功率為550W，額定電壓為220V，極對數為4，定子齒數為24個，轉子的轉速為1500rpm，求電磁振動產生的噪聲大小。
本算例使用的模塊如下：
RMxprt模塊：建立電機類型；
Maxwell模塊：2D瞬態電磁場計算；
Structural 模塊：3D諧響應分析計算；
Acoustics ACT模塊：噪聲計算
注：Acoustics ACT模塊需要單獨安裝，請用戶到官方網站上自行下載。
圖1 電機模型
電機的電路模型如圖2所示。
圖2 電機電路模型
1）啟動Workbench。在Windows XP下單擊“開始”→“所有程序”→ANSYS15→Workbench15命令，即可進入Workbench主界面。
2）保存工程文檔。進入Workbench後，單擊工具欄中的
按鈕，將文件保存為“zhendongzaosheng.wbpj”，單擊Getting Started窗口右上角的（關閉）按鈕將其關閉。
3）雙擊Toolbox→Analysis System→RMxprt模塊建立項目A，如圖3所示。
4）雙擊項目A中的A1欄進如RMxprt電機設置平臺，如圖4所示。
圖3 RMxprt模塊 圖4 RMxprt平臺
5）依次選擇菜單RMxprt→Machine Type，在彈出的電機類型選擇對話框中單擊Generic Rotating Machine選項，單擊OK按鈕，如圖5所示。
6）單擊Project Manager→RMxprt→Machine選項，在下面出現屬性設置對話框中作如下設置：
在Source Type欄中選擇AC選項；
在Structure欄中選擇Inner Rotor選項；
在Stator Type欄中選擇SLOT_AC選項；
在Rotor Type欄中選擇PM_INTERIOR選項，如圖6所示。
圖5 RMxprt模塊 圖6 RMxprt平臺
7）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Stator選項，在下面出現屬性設置對話框中作如下設置：
在Number of Poles欄中輸入4；
在Number of Slots欄中輸入24；
在Slot Type欄中單擊1按鈕，此時彈出Select Slot Type對話框；
在對話框中單擊2按鈕，並單擊OK按鈕，如圖7所示，此時Slot Type欄中的按鈕將顯示為2。
8）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Stator→Core→Slot選項，在下面出現屬性設置對話框中作如下設置：
取消Auto Design選項；
在Hs0欄中輸入0.5，單位保持默認即可；
在Hs1欄中輸入1；
在Hs2欄中輸入8.2；
在Bs0欄中輸入2.5；
在Bs1欄中輸入5.6；
在Bs2欄中輸入7.8，如圖8所示。
圖7 Stator設置 圖8 Slot設置
9）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Stator→Core選項，在下面出現屬性設置對話框中作如下設置：
在Outer Diameter欄中輸入120，單位保持默認即可；
在Inner Diameter欄中輸入75；
在Length欄中輸入65；
在Stacking Factor欄中輸入0.95；
在Steel Type欄中單擊按鈕；
在材料選擇對話框中選擇M19_24G_2DSF0.950材料單擊確定按鈕，如圖9所示。
圖9 Core設置
10）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Stator→Winding選項，在下面出現屬性設置對話框中作如下設置：
在Winding Layers欄中輸入2；
在Winding Type欄中選擇Whole-Coiled選項；
在Parallel欄中輸入1；
在Conductor Per欄中輸入52；
在Coil Pitch欄中輸入5；
在Number of Strands欄中輸入1；
在Wire Size欄中選擇Diameter設置導線尺寸。
在Conductor Type中單擊按鈕選擇Copper材料單擊確定按鈕，如圖10所示。
切換到End/Insulation選項卡中，取消Input Half-turn length選項；
在Correction中輸入1；
在Slot Liner欄中輸入0；
在Layer Insulation欄中輸入0；
在Limited Fill Factor欄中輸入0.75；
圖10 Winding設置
11）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Rotor選項，在下面出現屬性設置對話框中作如下設置：
在Number欄中輸入4，如圖11所示；
12）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Rotor→Core選項，在下面出現屬性設置對話框中作如下設置：
在Outer Diameter欄中輸入74；
在Inner Diameter欄中輸入26；
在Length欄中輸入65；
在Stacking Factor欄中輸入0.95；
在Steel Type欄中選擇M9-24G材料，如圖12所示；
在Pole Type欄中選擇3。
圖11 Rotor設置 圖12 Core設置
13）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Rotor→Core→Pole選項，在下面出現屬性設置對話框中作如下設置：
在D1欄中輸入73；
在O1欄中輸入1；
在O2欄中輸入6；
在B1欄中輸入3；
在Rib欄中輸入12；
在HRib欄中輸入4；
在Layers欄中輸入1；
在Magnet Thickness欄中輸入3.75；
在Magnet Width欄中輸入36.835；
在Magnet Type欄中選擇XG196/96材料，如圖13所示。
14）單擊Project Manager→RMxprt→Machine→Rotor→Shaft選項，在繪圖區域將出現轉子定子模型，在下面出現屬性設置對話框中作如下設置：
在Frictional Loss欄中輸入12；
在Reference Speed欄中輸入1500，如圖14所示。
圖13 Pole設置 圖14 Shaft設置
15）選擇菜單RMxprt→Analysis Setup→Add Solution Setup子菜單，在出現的Properties對話框中作如下設置：
選擇Enabled選項；
在Operation欄中選擇Motor選項；
在Load Type欄中選擇Const Torque選項；
在Rated Output欄中輸入550；
在Rated Voltage欄中輸入220；
在Rated Speed欄中輸入1500；
在Operating欄中輸入75，單擊確定按鈕，如圖15所示。
16）選擇菜單RMxprt→Design Settings子菜單，在出現的RMxprtDesign Settings對話框中作如下設置：
選擇Enabled選項，單擊確定按鈕，如圖16所示。
注：Maxwell程序的缺省設置為使用最小几何數據格式，此處設置為到處全模型的數據。
圖15 求解器設置 圖16 RMxprt設置
17）選擇菜單RMxprt→Analysis All子菜單，進行計算，當計算結束後，通過RMxprt→Analysis Setup→Create Maxwell Design子菜單將RMxprt模型導出到Maxwell中，此時將啟動腳本語言進行數據傳遞，傳遞完成後如圖17所示。
圖17 數據傳遞
18）選擇菜單RMxprt→Analysis All子菜單，進行計算，當計算結束後，通過RMxprt→Analysis Setup→Create Maxwell Design子菜單將RMxprt模型導出到Maxwell中，此時將啟動腳本語言進行數據傳遞。
19）右鍵選擇Stator，在彈出的快捷菜單中依次選擇Edit→Delete命令，將Stator幾何刪除，如圖18所示。
20）依次選擇菜單Modeler→Import子菜單，在彈出的如圖19所示對話框選擇文件名為assm_LumpedForceMapping_stator.dxf的幾何文件。
圖18 刪除幾何 圖19 導入幾何
21）選擇導入幾何中的面積最大的幾何體，按住鍵盤上的Ctrl鍵，選擇所有導入的幾何體，依次選擇菜單中的Modeler→Boolean→Subtract命令，此時幾何實體如圖20所示。
22）選中剛操作完的幾何實體，將其材料屬性設置為M19_24G_2DSF0.950。
23）將其名字命名為Stator1。
24）依次選擇菜單Draw→Circle命令創建如圖21所示的幾何，圓的原點為（0，0，0），半徑為39.54mm。
圖20 幾何實體 圖21 創建圓
25）選中Stator1和Circle1兩個幾何，單擊工具欄中的複製/粘貼命令，此時將出現另外兩個幾何Stator2和Circle2。
26）選中Stator1然後再選中Circle1，依次選擇菜單中的Modeler→Boolean→Subtract命令。
27）選中Stator2然後再選中Circle2，依次選擇菜單中的Modeler→Boolean→Intersect命令。
28）將操作後剩下的幾何命名為ToothTips。
29）選中ToothTips幾何，依次選擇菜單中的Modeler→Boolean→Separate命令，將幾何進行分割如圖22所示。
圖22 模型分割
30）雙擊OuterRegion→CteateUserDefinedPart命令，在彈出的如圖23所示對話中的DiaYoke欄中將120更改為140，並單擊確定按鈕。
圖23 求解區域
31）選擇Rotor幾何，依次選擇菜單中的Maxwell2D→MeshOperations→Assign→On Selection→Length Based命令，並將其命名為Length_Rotor，設置最大單元長度為0.5mm，單擊確定按鈕。
32）選擇Stator1幾何，依次選擇菜單中的Maxwell2D→MeshOperations→Assign→On Selection→Length Based命令，並將其命名為Length_Stator，設置最大單元長度為4mm，單擊確定按鈕。
33）選擇所有ToothTips幾何，依次選擇菜單中的Maxwell2D→MeshOperations→Assign→On Selection→Length Based命令，並將其命名為Length_ToothTips，設置最大單元長度為0.25mm，單擊確定按鈕。
34）選擇Rotor幾何外邊界線，依次選擇菜單中的Maxwell2D→MeshOperations→Assign→Surface Approximation命令，並將其命名為SurfApprox_Rotor，設置最大麴面分割長度為0.001mm，單擊確定按鈕。
35）選擇所有ToothTips幾何，依次選擇菜單中的Maxwell2D→MeshOperations→Assign→Surface Approximation命令，並將其命名為SurfApprox_ToothTips，設置最大麴面分割長度為0.001mm，單擊確定按鈕。
通過以上操作後，網格設置將如圖24所示。
圖24 網格設置
36）雙擊Analysis→Setup1，在彈出的如圖25所示的對話框中作如下設置：
在General選項卡中的Stop time欄中輸入0.04；
在Time step欄中輸入0.002，單擊確定按鈕。
37）依次選擇菜單Maxwell2D→Excitations→External Circuit→Set Minimum Time Step命令，在彈出的如圖26所示的對話框中作如下設置：
將Minimum Time Step欄中的數值改為0，單擊OK按鈕。
圖25 設置求解器類型 圖26 初始值
38）開啟諧響應力學計算命令。依次選擇菜單Maxwell2D→Enable Harmonic ForceCalculation命令，在彈出的如圖27所示的對話框中勾選所有ToothTips幾何。
圖27 電磁力耦合
39）求解計算。右鍵單擊Project Manager中的Analysis→Setup1命令，在彈出的快捷菜單中選擇如圖28所示的Analyze命令，進行求解計算，求解需要一定的時間。
圖28 求解模型
40）在Results選項卡中單擊右鍵，如圖29所示，依次選擇Create Transient Report→Rectangle Plot，在彈出的對話框的Category中選擇Winding，在Quantity欄中選擇三個Current，並單擊New Report按鈕。
圖29 後處理
41）顯示三項電流變化曲線圖如圖30所示。
圖30 電流變化圖
42）如圖31所示為不同時刻的轉矩圖。
圖31 轉矩圖
43）關閉Maxwell平臺，回到Workbench平臺。
2.結構振動分析環境
1）如圖32所示諧響應分析模塊。
圖32 創建電磁分析環境
2）安裝ACT噪聲計算模塊。依次選擇菜單Extensions→InstallExtension命令，在彈出的如圖33所示打開對話框中選擇ACT_Acoustics_R150_V40.wbex文件。
圖33 添加分析模塊
3）依次選擇Extensions→Manage Extensions命令，在彈出的如圖34所示Manage Extensions對話框中選中ExtAcoustics選項，單擊Close按鈕。
圖34 載入分析模塊
4）右鍵選擇項目B中的B3（Geometry），在彈出的如圖35所示快捷菜單中導入3DStator.agdb格式的文件。
5）單擊A4欄不放手直接拖拽到B5欄中，如圖35所示。
6）右鍵選擇A4欄，在彈出的如圖36所示的快捷菜單中選擇Update命令。
圖35 數據傳遞 圖36 更新數據
7）雙擊B3進入到幾何建模平臺——DM平臺中。
選擇所有內側面（共計48個）然後創建Named Selection並命名為ToothTips，如圖37所示。
圖37 創建命名
8）雙擊B4進入到Mechanical平臺中。
9）在Project→Model（B4）→Mesh命令上單擊右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇GenerateMesh命令，如圖38所示。
10）如圖39所示為劃分完成後的網格模型。
圖38 網格設置 圖39 網格模型
本算例將網格劃分較粗糙，實際工程中需要對網格進行細化，本算例只在演示網格劃分過程。
11）設置計算參數。如圖40所示，在。Analysis Settings中做如下設置：
在Range Minimum欄中輸入0Hz；
在Range Maximum欄中輸入2500Hz；
在Solution Intervals欄中輸入25；
在Solution Method欄中選擇Full選項；
在Stress欄中選擇Yes選項；
在Strain欄中選擇Yes選項；
在Calculate Reaction欄中選擇Yes選項；
在Save MAPDL db欄中選擇Yes選項。
12）如圖41所示，添加Insert→FixedSupport命令，在Scoping Method欄中選擇Named Selection選項，在NamedSelection欄中選擇Bolts選項。
圖40 分析設置 圖41 邊界條件
13）創建座標系，在如圖42所示的設置窗口中進行如下設置：
在Type欄中選擇Cylindrical選項，創建圓柱座標系；
在Origin X和Origin Y欄中輸入0；
在Orinin Z中輸入1.5e-002；
在Axis欄中選擇X；
在Define By欄中選擇Global X Axis選項；
在下面的Axis欄中選擇Y，其餘默認即可。
圖42 設置座標系
14）如圖43所示，右鍵選擇Imported RemoteLoads命令，在彈出的快捷菜單中選擇GenerateRemote Loads命令，經過一段時間計算，映射完後的力如圖44所示，並將所有轉矩載荷抑制掉。
圖43 導入載荷 圖44 力圖
15）求解計算。在Transient（B6）中的Solve命令上單擊右鍵，在快捷菜單中選擇Solve命令進行求解計算。
16）位移雲圖。右鍵單擊Solution命令，在彈出的快捷菜單中選擇Insert→Deformation→Total命令，添加位移雲圖，然後執行計算即可得到如圖45所示的位移響應雲圖。
17）應力雲圖。同樣方式可以得到應力分佈雲圖，如圖46所示。
圖45 位移雲圖 圖46 應力雲圖
18）諧響應曲線如圖47所示。
圖47 諧響應圖
19）相角曲線顯示如圖48所示。
圖48 相角曲線圖
20）各個頻率柱狀圖與數值，如圖49所示。
圖49 柱狀圖
3.噪聲分析環境
1）右鍵選擇B1，在彈出的菜單中選擇複製命令，此時將創建一個項目C，將項目C命名為Acoustic，並刪除連接線，如圖50所示。
圖50 複製項目
2）將項目B中的B6直接拖拽到項目C中的C5中，如圖51所示。
圖51 數據傳遞
3）右鍵單擊C3導入幾何文件名為Geom.stp的幾何，雙擊C3中進入DM平臺，如圖52所示，外表面命名為outer，內表面命名為extsurf，並將兩個幾何From newpart形成一個組件。
圖52 導入幾何
4）關閉DM平臺，回到Workbench平臺，雙擊C4進入Mechanical平臺。
5）單擊Mesh，添加一個Patch ConformingMethod命令，在如圖53所示的窗口中進行網格設置：
在Geometry欄中選擇兩個幾何實體，此時在Geometry欄中將顯示2Bodies；
在Method欄中選擇Tetrahedrons選項。
6）單擊Mesh，添加一個Body Sizing命令，在如圖54所示的窗口中進行網格設置：
在Geometry欄中選擇兩個幾何實體，此時在Geometry欄中將顯示2Bodies；
在Type欄中選擇Element Size選項；
在Element Size欄中輸入4.e-002m。
圖53 網格類型 圖54 網格尺寸
7）置計算參數。如圖55所示，在Analysis Settings中做如下設置：
在Range Minimum欄中輸入0Hz；
在Range Maximum欄中輸入2500Hz；
在Solution Intervals欄中輸入25；
在Solution Method欄中選擇Full選項；
在Stress欄中選擇Yes選項；
在Strain欄中選擇Yes選項；
在Calculate Reaction欄中選擇Yes選項；
在Save MAPDL db欄中選擇Yes選項。
8）噪聲體設置。如圖56所示，工具欄中單擊Acoustic Body命令，在彈出的窗口中做如下設置：
在Geometry欄中選擇兩個幾何實體，此時在Geometry欄中將顯示2Bodies；
在Mass Density欄中輸入1.0241；
在Sound欄中輸入343.24。
圖55 分析設置 圖56 噪聲體設置
9）如圖57所示，在extsurf流固耦合表面導入速度邊界條件，在Source Bodies中選擇All選項。
圖57 速度邊界
10）如圖58所示，在outer表面設置為輻射表面。
圖58 輻射邊界
11）經過有限元計算後如圖59所示為0度相角的聲壓壓強分佈。
12）如圖60所示為0度相角的聲壓級分佈。
圖59 聲壓 圖60 聲壓級
13）示通過修改計算因子得到A記權的聲壓級如圖61所示。
圖61 A記權聲壓級
4.結論
本操作案例僅介紹瞭如何在ANSYS Workbench平臺上，通過Maxwell電磁模塊與Mechanical模塊進行電機的電磁結構噪聲仿真的操作流程，對電機實際結構進行仿真計算時需要充分考慮電機的結構特點。
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