一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化方法及装置与流程

本发明涉及永磁同步电动机领域，尤其涉及一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化方法及装置。

背景技术：

节能减排是全球发展的趋势，而棉纺行业是能源消耗的大户，它的运行时间24小时，工作用的电机用电成本占棉纺行业第二大支出成本，使用高效节能永磁电机(有铁芯)属于一种手段，但其存在齿槽转矩的问题。而且纺织用的电机所产生的噪声也是不容忽视的问题，当电机的噪声过大时，不仅影响其正常运行，甚至出现电机的扫膛，而且也影响工作人员的作业。电机的噪声主要来源于电磁噪声，由于电机气隙空间磁场是一个旋转的力波，它的径向电磁力波会使定转子发生径向变形与周期性的震动，产生电磁噪声。当其定子固有频率与其接近时，就会引起共振，增大噪声与振动。对机器以及现场作业人员具有严重不良的影响。

目前，永磁同步电机测量噪声有以下几个方面：

(1)铅屏蔽法是用铅板做成的密封隔声罩覆盖在机器上，依次测量露出的各辐射面，得到辐射面上各处的辐射声压级。此方法对于复杂结构的内燃机，很难做到完全覆盖，从而影响测量精度；且对测试的声学环境有一定的要求，测试成本较高。

(2)近场测量法，又称声通道法，是将要测量的辐射表面的噪声用导管引出，在管道另一端设置传声器，并用隔板将其他噪声隔开进行测量。这种方法精度不高，应用范围不广。

(3)表面振动法是通过测量表面振动求得辐射噪声，不需要特殊的声学环境。但是对于不同对象，确定测点的位置和点数要靠经验来决定。

(4)基于间接边界元法测出永磁同步电机的噪声模型：运用lmsvirtual.labacoustics大型有限元声学计算软件建立电机声场模型，采用实测电机机壳表面法向振动加速度预估电机内部辐射噪声声场。将试验中测得的电机机壳表面振动的法向加速度直接作为声场计算的边界条件，声学计算基于helmholtz积分公式，是一种理论计算与实验测量相结合的方法。但是由于测量困难以及误差，此模型不是十分准确。

因此，现有技术中对永磁同步电机的噪声的测量精度以及测量成本较高，且难以在测量过程中对永磁同步电机的参数进行调整，以达到优化电机噪声的目的。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化方法及装置，解决了现有技术中对永磁同步电机的噪声的测量精度以及测量成本较高，且难以在测量过程中对永磁同步电机的参数进行调整，以达到优化电机噪声的目的的技术问题。

本发明实施例提供的一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化方法，包括：

通过磁路法设计，将电机的磁场简化为磁路，并生成电机的初步设计模型；

根据有限元法分析电机的初步设计模型中影响电机的齿槽转矩的参数，并选取可削弱电机的齿槽转矩的参数数值；

根据参数数值对电机进行径向电磁力波的求解，求出电机的定子齿部所受到的径向力波，并将获得的求解结果进行谐响应分析；

根据谐响应分析得到的振动加速度，将振动加速度输出到电机的定子外壳，进行声场分析，获得电机周围的噪声分布情况。

可选地，通过磁路法设计，将电机的磁场简化为磁路，并生成电机的初步设计模型包括：

根据电机的结构参数，通过磁路法设计，将电机的磁场简化为磁路，并生成电机的初步设计模型；

划分出电机的定子齿部以及绘制电机的通风孔，并对电机的气隙区域进行多层的网格剖分。

可选地，根据有限元法分析电机的初步设计模型中影响电机的齿槽转矩的参数，并选取可削弱电机的齿槽转矩的参数数值包括：

根据有限元法对电机的初步模型中的磁极极弧系数和磁极偏心距进行参数化扫描，在磁极极弧系数和磁极偏心距的变量范围中选取可削弱电机的齿槽转矩的磁极极弧系数和磁极偏心距。

可选地，根据参数数值对电机进行径向电磁力波的求解，求出电机的定子齿部所受到的径向力波，并将获得的求解结果进行谐响应分析包括：

对选取了可削弱电机的齿槽转矩的磁极极弧系数和磁极偏心距后的电机根据麦克斯韦应力张量法进行径向电磁力波的求解，并将获得的求解结果输入到绘制好的电机的三维模型的定子齿部截面，对绘制好的电机的通风孔施加边界条件，进行谐响应分析。

可选地，根据谐响应分析得到的振动速度输出并进行声场分析，获得电机的噪声分布情况包括：

根据谐响应分析得到的振动加速度，将振动加速度输出到电机的定子外壳并将电机的定子外壳作为噪声源进行声场分析，获得电机周围的噪声分布结果。

本发明实施例提供的一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化装置，包括：

生成模块，用于通过磁路法设计，将电机的磁场简化为磁路，并生成电机的初步设计模型；

第一分析模块，用于根据有限元法分析电机的初步设计模型中影响电机的齿槽转矩的参数，并选取可削弱电机的齿槽转矩的参数数值；

求解模块，用于根据参数数值对电机进行径向电磁力波的求解，求出电机的定子齿部所受到的径向力波，并将获得的求解结果进行谐响应分析；

第二分析模块，用于根据谐响应分析得到的振动加速度，将振动加速度输出到电机的定子外壳，进行声场分析，获得电机周围的噪声分布情况。

可选地，生成模块包括：

生成单元，用于根据电机的结构参数，通过磁路法设计，将电机的磁场简化为磁路，并生成电机的初步设计模型；

划分单元，用于划分出电机的定子齿部以及绘制电机的通风孔，并对电机的气隙区域进行多层的网格剖分。

可选地，第一分析模块包括：

扫描单元，用于根据有限元法对电机的初步模型中的磁极极弧系数和磁极偏心距进行参数化扫描，在磁极极弧系数和磁极偏心距的变量范围中选取可削弱电机的齿槽转矩的磁极极弧系数和磁极偏心距。

可选地，求解模块包括：

求解单元，用于对选取了可削弱电机的齿槽转矩的磁极极弧系数和磁极偏心距后的电机根据麦克斯韦应力张量法进行径向电磁力波的求解，并将获得的求解结果输入到绘制好的电机的三维模型的定子齿部截面，对绘制好的电机的通风孔施加边界条件，进行谐响应分析。

可选地，第二分析模块包括：

分析单元，用于根据谐响应分析得到的振动加速度，将振动加速度输出到电机的定子外壳并将电机的定子外壳作为噪声源进行声场分析，获得电机周围的噪声分布结果。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供了一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化方法及装置，包括：通过磁路法设计，将电机的磁场简化为磁路，并生成电机的初步设计模型；根据有限元法分析电机的初步设计模型中影响电机的齿槽转矩的参数，并选取可削弱电机的齿槽转矩的参数数值；根据参数数值对电机进行径向电磁力波的求解，求出电机的定子齿部所受到的径向力波，并将获得的求解结果进行谐响应分析；根据谐响应分析得到的振动加速度，将振动加速度输出到电机的定子外壳，进行声场分析，获得电机周围的噪声分布情况，本发明实施例通过先采用磁路法对电机设计，然后用有限元的方法参数化分析影响齿槽转矩的参数，选取尽可能较大地削弱齿槽转矩的数值，再进行永磁同步电机定子齿部径向电磁力波的计算，将得到的结果输出进行结构方面的谐响应分析，最后将谐响应求出的振动加速度，输出到声场分析模块，进行永磁电机定子外壳四周噪声分布的仿真。整个过程将电磁-结构-声场耦合在一起，提供了一种在优化电机的齿槽转矩的同时，降低电机电磁噪声的测量方法，解决了现有技术中对永磁同步电机的噪声的测量精度以及测量成本较高，且难以在测量过程中对永磁同步电机的参数进行调整，以达到优化电机噪声的目的的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化方法的一个实施例的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化方法的另一个实施例的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的生成电机的2d模型的示意图；

图4为本发明实施例提供的划分电机定子齿部后的电机模型示意图；

图5为本发明实施例提供的在rmxprt模块设置相应的变量以及其对应的值示意图；

图6为本发明实施例提供的一键建模生成电机2d平面模型的工作界面示意图；

图7为本发明实施例提供的在2d工作界面的优化选项添加参数进行分析示意图；

图8为本发明实施例提供的参数化扫描的界面示意图；

图9为本发明实施例提供的参数化变量所带来的组合方案示意图；

图10为本发明实施例提供的电机磁极极弧系数扫描示意图；

图11为本发明实施例提供的电机磁极偏心距扫描示意图；

图12为本发明实施例提供的ansysmaxwell建立的电机二维模型；

图13为本发明实施例提供的solidwork建立的电机三维模型；

图14为本发明实施例提供的电机齿槽转矩优化前的电机机壳噪声云图；

图15为本发明实施例提供的电机齿槽转矩优化后的电机机壳噪声云图；

图16为本发明实施例提供的一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化方法及装置，用于解决现有技术中对永磁同步电机的噪声的测量精度以及测量成本较高，且难以在测量过程中对永磁同步电机的参数进行调整，以达到优化电机噪声的目的的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化方法包括：

101、通过磁路法设计，将电机的磁场简化为磁路，并生成电机的初步设计模型。

102、根据有限元法分析电机的初步设计模型中影响电机的齿槽转矩的参数，并选取可削弱电机的齿槽转矩的参数数值；

通过公式推导，从电机磁场与能量的角度，得到影响电机齿槽转矩的相关参数，可以从磁场储能的角度获得齿槽转矩的表达式，具体如下式：

其中，la为电枢铁芯的轴向长度；r1、r2分别为电枢外半径、定子轭部内半径；n为使为整数的整数；z、p分别为电机槽数、极对数。

其中，齿槽转矩的定义为：齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和定子铁芯之间相互作用产生的转矩。而它的转矩形成主要是由永磁体与电枢齿(即电机定子齿部)之间相互作用力的切向分量引起的，故可以通过削弱齿槽转矩，选取合适的气隙磁密值，进而减小电机的径向电磁力，减轻永磁电机中的电磁噪声影响。

在获得电机的初步模型之后，可以根据有限元法参数化分析电机的初步模型中影响电机的齿槽转矩的参数(即对上述的齿槽转矩中的表达式中的参数进行分析)，并选取可削弱电机的齿槽转矩的参数数值。

103、根据参数数值对电机进行径向电磁力波的求解，求出电机的定子齿部所受到的径向力波，并将获得的求解结果进行谐响应分析；

在选取可削弱电机的齿槽转矩的参数数值之后，根据参数数值，对电机进行径向电磁力波的求解，并将获得的求解结果，并将获得的求解结果输入到绘制好的电机三维模型的定子齿部截面，接着对绘制好的电机的通风孔施加边界条件，进行谐响应分析。

104、根据谐响应分析得到的振动加速度，将振动加速度输出到电机的定子外壳，进行声场分析，获得电机周围的噪声分布情况。

最后，根据谐响应分析得到的振动加速度输出到电机定子外壳，并进行声场分析，获得电机的周围噪声分布情况。

以上为对本发明实施例提供的一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化方法的一个实施例的详细描述，以下将对本发明实施例提供的一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化方法的另一个实施例进行详细的描述。

请参阅图2，本发明实施例提供的一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化方法的另一个实施例包括：

201、根据电机的结构参数，通过磁路法设计，将电机的磁场简化为磁路，并生成电机的初步设计模型；

首先，根据电机的所有结构参数，即内外径，绕组线径、绕法、尺寸等，通过ansysrmxprt对电机进行磁路的快速运算，一键生成2d模型，如图3所示，即为生成电机的2d模型的示意图。

202、划分出电机的定子齿部以及绘制电机的通风孔，并对电机的气隙区域进行多层的网格剖分。

在生成电机的初步模型之后，划分出电机的定子齿部以及绘制电机的通风孔。如图4所示，为划分电机定子齿部后的电机模型示意图。

203、根据有限元法对电机的初步模型中的磁极极弧系数和磁极偏心距进行参数化扫描，在磁极极弧系数和磁极偏心距的变量范围中选取可削弱电机的齿槽转矩的磁极极弧系数和磁极偏心距；

再根据有限元法对电机的初步模型中的磁极极弧系数和磁极偏心距进行参数化扫描，在磁极极弧系数和磁极偏心距的变量范围中选取可最大削弱电机的齿槽转矩的磁极极弧系数和磁极偏心距。其中，因为气隙是实现机电能量转换的基础，且位于电机定子齿与永磁体之间。齿槽转矩与径向电磁力波的产生都与气隙密切相关。为提高后面的齿槽转矩以及电机径向电磁力的计算精度，需要对其进行多层网格剖分，虽然可能会提高运算量时间，但是能保证计算解精确可靠。因此，在maxwell2d的工作界面进行有限元方法的仿真分析，其主要步骤如下：

(1)在rmxprt模块采用磁路计算时，对磁极极弧系数、磁极偏心距数值设置为相应的变量，比如像d，position。如图5所示，为在rmxprt模块设置相应的变量以及其对应的值示意图。

(2)从rmxprt一键生成2d平面模型后，2d模型的操作界面就会形成有如图6的界面。可以从图像中看到生成的电机模型以及左下角箭头所指出的之前设置好的参数变量。如图6所示，为一键建模生成电机2d平面模型的工作界面示意图。

(3)展开上面的maxwell2ddesign5，可以看到有下面边界设置、激励、参数、网格剖分、求解设置、优化、场域观察的选项。按照图7中的序号步骤，右击优化设置，添加参数化进行分析。如图7所示，为在2d工作界面的优化选项添加参数进行分析示意图。

(4)选择线性步长，然后设定合适的起始值，最终值以及间距，可以得到如图8所示的参数化扫描的界面示意图。

(5)然后进行对这些参数形成的组合方案进行有限元仿真，得到参数不同时的仿真结果。因此，根据这些不同的参数形成不同的组合方案所得到的仿真结果效果，即可选择能够最大化削弱电机的齿槽转矩的参数组合。如图9所示，为参数化变量所带来的组合方案示意图。

204、对选取了可削弱电机的齿槽转矩的磁极极弧系数和磁极偏心距后的电机根据麦克斯韦应力张量法进行径向电磁力波的求解，并将获得的求解结果输入到绘制好的电机的三维模型的定子齿部截面，对绘制好的电机的通风孔施加边界条件，进行谐响应分析；

在选取了能极大化削弱齿槽转矩的参数之后，然后对结构模型的绕组施加相位各自相差120°的对称三相电流，对电机电枢外径添加狄里克莱边界条件(即将其定义磁场强度为0)，仿真理想的磁绝缘，进行瞬态仿真。取定子与永磁体中间的气隙边界，根据麦克斯韦应力张量法，求出其瞬态的径向电磁力波。利用其自带的频域分解器进行fft变换得到径向电磁力波的频域分布，属于电磁谐波，并求解出谐波的幅值以及对应的次数，留下作为对应优化前后设计的合理性分析。然后将径向电磁力波作为激励，导入到利用maxwell3d画出的三维电机绕组的定子齿部截面位置，并在ansysworkbench谐响应模块进行分析，对电机通风孔施加边界约束条件，并以电机电枢外表面为噪声传递的介质，获取振动位移及加速度。

205、根据谐响应分析得到的振动加速度，将振动加速度输出到电机的定子外壳并将电机的定子外壳作为噪声源进行声场分析，获得电机周围的噪声分布结果。

最后，将谐响应分析得到的振动加速度导入workbench噪声分析的模块acoustics，以其简易的电机定子外的机壳为例，将其设置为噪声源，对其最外围施加到径向噪声边界条件，即可获得电机外壳的周围的噪声分布云图。

为便于理解，下面将以一纺织用的电机作为具体的例子，进行仿真。如表1所示，为电机初步设计的参数表。

表1电机初步设计的参数

请参阅图10和图11，为电机磁极极弧系数扫描示意图和电机磁极偏心距扫描示意图。

请参阅图12和图13，为ansysmaxwell建立的电机二维模型和solidwork建立的电机三维模型。

请参阅图14和图15，为电机齿槽转矩优化前的电机机壳噪声云图和电机齿槽转矩优化后的电机机壳噪声云图。

在对电机进行优化并削弱齿槽转矩后，噪声对比如表2所示。

表2电机噪声对比

以上为对本发明实施例提供的一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化方法的另一个实施例的详细描述，以下将对本发明实施例提供的一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化装置进行详细的描述。

请参阅图16，本发明实施例提供的一种基于磁路法与有限元法的电机噪声优化装置包括：

生成模块301，用于通过磁路法设计，将电机的磁场简化为磁路，并生成电机的初步设计模型；生成模块301包括：

生成单元3011，用于根据电机的结构参数，通过磁路法设计，将电机的磁场简化为磁路，并生成电机的初步设计模型；

划分单元3012，用于划分出电机的定子齿部以及绘制电机的通风孔，并对电机的气隙区域进行多层的网格剖分。

第一分析模块302，用于根据有限元法分析电机的初步设计模型中影响电机的齿槽转矩的参数，并选取可削弱电机的齿槽转矩的参数数值；第一分析模块302包括：

扫描单元3021，用于根据有限元法对电机的初步模型中的磁极极弧系数和磁极偏心距进行参数化扫描，在磁极极弧系数和磁极偏心距的变量范围中选取可削弱电机的齿槽转矩的磁极极弧系数和磁极偏心距。

求解模块303，用于根据参数数值对电机进行径向电磁力波的求解，求出电机的定子齿部所受到的径向力波，并将获得的求解结果进行谐响应分析；求解模块303包括：

求解单元3031，用于对选取了可削弱电机的齿槽转矩的磁极极弧系数和磁极偏心距后的电机根据麦克斯韦应力张量法进行径向电磁力波的求解，并将获得的求解结果输入到绘制好的电机的三维模型的定子齿部截面，对绘制好的电机的通风孔施加边界条件，进行谐响应分析。

第二分析模块304，用于根据谐响应分析得到的振动加速度，将振动加速度输出到电机的定子外壳，进行声场分析，获得电机周围的噪声分布情况；第二分析模块304包括：

分析单元3041，用于根据谐响应分析得到的振动加速度输出并将电机的定子外壳作为噪声源进行声场分析，获得电机周围的噪声分布结果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。