Междисциплинарный электромагнитный – гармонический анализ структур электрических машин. Акустика.

Междисциплинарный электромагнитный – гармонический анализ структур электрических машин. Акустика.

Как известно, работа электродвигателей и генераторов вызывает вибрации и шум характерные для многих механизмов. Долгое время существовал большой интерес к анализу этих эффектов, производимых переходными электромагнитными усилиями на статоре электродвигателя с постоянными магнитами.  В последних версиях программного обеспечения ANSYS появилась такая возможность посредством прямой связи между ANSYS Maxwell и ANSYS Mechanical. Идея реализации заключается в том, что во-первых проводится электромагнитное моделирование для вычисления сил и моментов на сегменты зубцов статора. Затем используется анализ Фурье для определения порядков гармоник электромагнитных сил, которые поэлементно интерполируются на сеточную модель в гармоническую механическую задачу (Рисунок 1). Для обеспечения удобного рабочего процесса используется среда интеграции ANSYS Workbench.

Рисунок 1. анализ Фурье для определения порядков гармоник электромагнитных сил.

ANSYS Maxwell 15.0 имеет опцию для расчета электромагнитных сил, как плотность распределенных сил на статоре. При включении функции гармонического расчета силы (harmonic force calculation) в ANSYS Maxwell, постпроцессор подготавливает входные файлы для гармонического анализа вибрации в ANSYS Mechanical для получения профилей деформаций и напряжений за счет приложенных электромагнитных сил. Для автоматической передачи рассчитанных гармонических сил устанавливается прямая связь между модулями, как показано на рисунке 2. Это соединение будет автоматически создать внешнюю импортированную нагрузку в среду Mechanical. Сосредоточенные действительные и мнимые компоненты электромагнитных сил и моментов масштабируются для всех зубцов. Для того, чтобы быстро назначить силу, используются именованные наборы поверхностей кончиков зубцов.

Рисунок 2. Схема соединения ANSYS Maxwell и ANSYS Mechanical для передачи гармонических сил.

Силы импортируются, как удалённые нагрузки, а значит для приложения этих сил создаются удалённые точки на поверхности зубцов. Для проведения механического гармонического анализа может использоваться как полный метод, так и метод суперпозиций.
На рисунке 3 представлен профиль скорости в частотной области (АЧХ) для одного из зубцов статора, как амплитуды, так и фазы. К примеру, локальный резонанс этого зуба составляет около 5 кГц с максимальной скоростью 0,12 м/с. Рисунок 4 показывает усредненные профили скорости для каждого из 48 зубцов статора. В качестве общего наблюдения для всех зубов, мы можем отметить, что резонанс для 48 зубцов статора происходит около 5 кГц. Максимальная же скорость около 0,2 м/с. Результаты структурного гармонического расчёта используется для проведения акустического анализа для оценки шума.

Рисунок 3. Профиль скорости для одного из зубцов статора.

Рисунок 4. Амплитуда скорости от частоты для 48 зубцов статора.

Если вас заинтересовала данная статья, вы можете ознакомиться с исследованиями в этой области:
Senousy, M., Larsen, P., and Ding, P., “Electromagnetics, Structural Harmonics and Acoustics Coupled Simulation on the Stator of an Electric Motor,” SAE Int. J. Pass. eng. Cars – Mech. Syst. 7(2):2014, doi:10.4271/2014-01-0933.

Клявлин Алексей.