ANSYS模态分析在电机声学中的应用

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　　电机的动态特性研究是解决电机噪声和振动的重要手段，本文运用ANSYS软件分析了电机装配工艺对电机振动和噪声的影响，分别对正常装配和异常装配后的电机进行了模态计算，得到了频段1000Hz-3000Hz的各阶振型，并比较两种结果的差异，从而找出了电机产生噪声的主要原因。由于电机噪声的复杂性和不同声源的相互干扰，仅通过噪声测试的频谱是很难判断具体原因，有限元模态分析为解决电机振动和噪声提供了一种有效的理论方法。

　　1 前言

　　电机的故障会引起很多异常噪声，这些噪声将影响环境及人类生活的舒适性。尤其对于家用电器的电机，更应该有效的控制电机噪声。在电机设计中为了尽可能降低电机噪声及避免共振，比较有效的方法之一就是找到电机噪声源，然后在此基础上进行优化设计。国内外许多学者对这类问题已经做了很多的研究，诸如利用试验模态分析技术，有限元模态仿真等。本文的研究对象是洗衣机高速变频电机，通过有限元方法对电机的模型进行模态分析，对比装配工艺对电机各阶模态振型的影响。为减小电机噪音和振动，避开共振频率，进一步优化结构设计提供理论数据和参考。

　　2 模态分析理论

　　结构模态分析是以振动理论为基础，以模态参数为目标的分析方法，研究系统物理参数模型、模态参数模型和非参数模型的关系，并通过一定手段确定这些系统模型的理论及其应用的一门学科。

　　2.1 结构动力学方程

　　对于一个具有n个自由度的线性体系，其振动方程可表示为：

　　式中：[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵;F(t)为动载荷在ANSYS动力结构分析中F(t)包括四种：
　　(1)模态分析：F(t)=0;
　　(2)谐响应分析：F(t)为周期载荷;
　　(3)瞬态动力学分析：F(t)为冲击载荷;
　　(4)谱分析：F(t)为随机载荷。

　　在ANSYS模态分析中，可忽略结构阻尼的影响，因此模态分析的振动方程为：

　　设式(2)的解为如下形式(即各质点按同一频率作简谐运动)：

　　式中：φi为振型(特征向量)，ωi为振型i的有频率。将式(3)代入式(2)得到

　　根据矩阵方程式(4)，可得到体系的n个固有频率和主振型向量。

　　3 电机有限元模态分析

　　3.1 有限元模型建立

　　本文使用pro-engineer CAD软件建立了电机的装配模型，如图1所示。主要的部件包含定子，转子和前后端盖，为了划分网格和计算的方便，在导入ANSYS之前，一些次要构件和细节结构被简化，如垫片、测速器等零件以及细节的倒角和拔模。采用ANSYS WORKBENCH进行有限元分析，单元类型为系统默认的三维实体类型，定义了各个零件的弹性模量、泊松比和密度等材料特性，电机是装配体，各个零件之间的接触定义比较重要，其直接影响计算结果，例如电机转子的前轴承与其轴承室的装配，实际中是通过弹性垫圈给轴承一个预紧力，因此利用插入弹簧来模拟弹性垫圈的预紧载荷。本文的主要目的是分析正常装配和异常装配的模态振型差别，也是通过不同的接触定义来模拟实际中装配不正或局部松动。然后对整个模型进行网格划分，定子和转子的形状比较规则，利用了扫掠网格划分，前后端盖形状比较复杂，定义了网格单元的尺寸，共划分了8多万个单元。有限元模型如图2所示。

　　分析类型是模态分析，约束模拟实际的电机安装，三个安装腿设置了位移约束。电机实际生产中，振动和噪音出现的频段在1500Hz～2500Hz之间，因此设置分析阶数为10，频率范围是1000Hz～3000Hz。

　　图1 CAD模型

　　图2 有限元模型

　　3.2 模态计算与结果分析

　　分别对正常装配和异常装配两种情况进行了分析计算，获得了1000Hz～3000Hz频段内的10阶模态频率和振型。
　　在实际生产中，这类电机多数情况都属于机械噪音，设计中端盖强度不足或关键的配合尺寸不合适等，生产过程中装配不正、转子变形、轴承损伤等各种工艺缺陷，都可能造成电机产生机械噪音。电机在运行过程中，转子是旋转部件，从机械噪音表象上，大多噪音问题都集中在转子轴承上，因此在分析噪音时，端盖的强度，端盖轴承室的变形和振动成为分析的主要对象。而且轴承室的变形结果可以反映在异常装配时哪些频段会有影响。本文提取了前轴承室，和前后轴承室的频率和振型，数据如表1和表2所示。图3显示了2500Hz左右前端盖总的振幅和变形。

　　表1 电机模态分析数据–前轴承室变形

　　表2 电机模态分析数据–前后轴承室总变形

　　图3 前端盖在2500Hz左右振型结果
　　在1000Hz～3000Hz频段内，正常装配的电机得到9个频率和振型，异常装配的电机得到10个频率和振型。表1中数据显示，异常装配的电机在2200Hz～3000Hz频段内，前轴承室的变形大，而且在1400Hz振动变形最大;正常装配的电机前轴承室整体的振动变形都较小。表2中数据显示，正常装配的电机前后轴承室总的变形在2500Hz最大，与表1数据对比，可以得出，在2500Hz正常装配的电机变形主要集中在后轴承室。对于异常装配的电机，总的轴承室变形，也是在1400Hz出现峰值，在2200Hz左右也有峰值。
　　根据模态分析的结果，异常的装配对电机的噪音和振动有很大的影响，尤其是在1400Hz和2200Hz左右频段内。而对于正常装配的电机，在2500Hz后轴承室变形较大，可以得出，电机结构需要优化或加强端盖的强度。由于所建立的有限元模型有所简化，共振频段与实测的数据并不是完全吻合，有限元仿真结果是在2200Hz左右，实际测试装配不良的电机发生噪音共振频率在2300Hz左右，与模态分析结果非常接近。而且对于噪音合格的正常电机，在实际噪音和振动测试中，最大的频率段也在2500Hz，这与仿真结果是非常吻合的。因此，ANSYS模态分析为结构的优化设计和装配工艺的改善提供了有效的理论分析手段。

　　结论


　　ANSYS有限元模态分析能够从理论上反映结构的振动情况，尤其可以对各阶固有频段的振型进行详细分析，从而为优化结构设计和改善加工工艺提供依据和参考，解决实际生产中电机存在的噪音和振动问题，同时也为进一步深入研究电机声学提供了有效的理论方法。

转自：http://articles.e-works.net.cn/CAE/Article113896_1.htm