【技术贴】Actran在电机噪声中的解决方案

Actran是由比利时FFT公司开发的一款通用声学仿真计算软件，被应用于各个行业进行声学性能的仿真计算和评估。在2011年，美国MSC Software将FFT公司收购，但依然保留FFT公司对Actran软件的独立开发、维护及服务。随着公司各产品技术的逐渐融合，MSC在振动噪声、机械运动噪声、气动噪声、冲击碰撞噪声、结构大变形过程中的噪声问题等方面，开发出更成熟的依赖于Actran的仿真方案。

Actran是最早的声学有限元方法的商业化程序，而如今，这种有限元方法已经被广泛应用于各行业声学的仿真模拟中。基于Actran高效率的声学求解器，声学有限元方法已经向更高频、更大规模的声学问题发起挑战。其独创的间断伽辽金方法也已经在超高频、大空间、强对流场的声学问题上得到了持续性的验证和扩展应用。先进的求解方法和高效率的求解器使得Actran软件能够模拟的声学问题更加全面。

随着世界经济的发展和人民生活水平的提高，电机的用量与日俱增，而电机噪声也成为越来越无法回避的问题。电机的振动噪声涉及了电磁的能量转换、机械振动、振动辐射声波等许多学科，这也为电机的噪声控制带来很大的困难。

电机噪声可以分为三种类型：

（1）电磁噪声

交替变化的电磁场引起某些机械结构或者空腔的振动产生电磁噪声。一般情况下，电机气隙中存在各种阶次、各种频率的旋转径向电磁力。径向力使得转子铁芯、定子铁心以及机座产生随时间周期性变化的振动。因此，电磁力的频率特性决定了振动的大小及频率特性。由于转子铁心刚度很大，所产生的振动量很小，所以定子铁心和机座的振动是产生电磁噪声的主要因素。

（2）机械噪声

转子转动过程中由于不平衡的离心力所产生的机械振动引起的噪声、轴承振动噪声、电刷与集电环或换向器滑动接触噪声、受轴承振动激发的端盖轴向振动噪声是电机机械噪声的主要来源。这些噪声和它们所用的材料、制造质量及电机装配工艺、配合精度有关。

（3）气动噪声

由电机中的风扇或其他通风原件产生，主要由风扇的型式、风路和进出口的设计决定。在无外风扇的封闭电机中，空气动力噪声是微不足道的。但高速开启式电机的空气动力噪声是主要的噪声成分，必须在设计时恰当地考虑电机损耗所需的冷却风量，使风量的裕度最小，风扇的效率最高。

在以上三种电机噪声中，一般来说电磁噪声占主要成分。合理的电机设计参数对控制电磁噪声效果明显。机械噪声和气动噪声相对而言所占成分较少，往往可以通过成熟的结构分析和流体气动噪声分析手段来预测与优化。

3  电机噪声仿真分析研究难点

3.1 电磁噪声仿真分析难点

电磁软件可以用来分析电磁力，从而得到引起电磁噪声的载荷。电磁分析软件有很多种，如Jmeg、Ansoft、Maxwell、Magnet、MANATEE等等，但是他们特有的网格功能虽然可以帮助工程师得到各部件及气隙处电磁力，但本身无法进行电机整机的振动和噪声响应分析。电磁分析软件也很难导出其他结构动力学分析软件可以识别的文件类型。而在这一点上，专业的振动声学分析软件Actran可以读取某些电磁软件输出的格式（如unv），而另外一些即使Actran不能直接读取，也可以采取输入坐标的方式进行电磁力在振动声学计算模型上的加载。只需要知道电磁力分布的节点坐标，可以直接在结构表面加载电磁力的载荷，而不依赖于电磁网格节点。这样就摆脱了上述问题的束缚，能够很顺畅的求解电磁力引起的结构振动辐射噪声响应，进行完整的由电磁分析到振动声学分析的全套流程。这使研发工程师能在产品初期评估和优化电机设计，减少由电磁力引起的噪声超标，避免因为噪声问题影响产品性能。

3.2气动噪声仿真分析难点

流体运动通常可以采用流体动力学分析软件进行分析优化。常见的流体分析软件有Fluent、Star ccm+、CFX、Cradle等。气动噪声的求解需要首先进行瞬态流场分析，并在运动的流场中进行气动声源的计算和声传播的计算。因此需要流体动力学软件与声学仿真软件进行联合求解，才能准确的预测流场中的声源，并考虑吸声边界、消声器结构、复杂风道中的声波传播。

Actran可以直接读取Fluent及Star ccm+输出的结果文件，而另外一些即使Actran不能直接读取的软件，也可以采取CGNS或者Ensight Gold格式进行导入。并且Actran当中有多种声类比求解技术，可以解决复杂流场中的气动声学问题。另外，Actran软件中自带振动求解功能，可以更加方便的进行气动-振动-声学的耦合求解，而不依赖于其他结构有限元软件。

4.1 技术路线

电机振动噪声系统是一个电磁场、结构振动场、声场的多物理场耦合系统。因此，耦合分析工具要包含电机电磁分析、振动求解、声学计算等一系列功能的耦合分析方法，技术路线如下图：

其中涉及到电磁场分析软件、振动声学分析软件、CAD软件等。Actran作为振动声学分析软件，可以直接读取Jmeg等电磁分析软件输出的unv格式的电磁力，并采用位置映射的方式，将电磁力加载到振动分析模型中。对于unv数据格式的支持使Actran能够读取众多电磁软件的输出文件。该解决方案可以实现电磁直接到声学的完整仿真计算过程。

4.2. 电机电磁噪声案例

本文以某转速为1800转/分，4极24插槽电机噪为例，对其电磁振动噪声问题的预测进行说明。

该题目中，电磁仿真采用Magnet软件进行计算；结构动力学分析采用Patran建模，MSC. Nastran计算；声学分析采用Actran。为了让整个仿真流程能够实现自动的数据传递，并且克服Nastran等结构动力学软件无法读取Magnet电磁力文件的不便，此题目采用FSIMapper软件进行数据的转换，并将时域电磁力转换成频域电磁力。仿真流程如下：

此电机在电磁仿真建模时可以简化成1/4周期性模型，减少计算量。采用180个时间步进行3维的瞬态分析，并输出面力密度（SFD~B2）

采用Patran建立结构振动Nastran有限元分析模型。采用Nastran进行模态求解，得到其模态振型。

FSIMapper可以将1/4周期模型的结果映射到全周期的Nastran结构节点上，并且将时域的面力密度转化成频域的面力密度，输出成Nastran的载荷bdf文件，可以直接被Nastran计算调用进行振动响应求解。

    Actran可以直接读取Nastran、Ansys及Abaqus软件计算的振动响应文件。在此算例中，Nastran计算得到的壳体振动位移响应op2结果文件直接作为Actran中声辐射计算的边界条件（BC Mesh），利用有限元和无限元方法进行辐射噪声的仿真计算。在Actran中进行辐射噪声计算有两种方式：弱耦合和强耦合。对于电机在空气中的辐射噪声问题，可以采用弱耦合方式来求解，即可以将振动声辐射的过程解耦成振动和辐射噪声，进行分步计算。

Actran本身具有结构模态、振动响应求解功能。如果在强耦合的方式下，也可以采用Actran的振动求解功能，直接在Actran中进行声振耦合求解。

利用Actran的field mesh功能，可以得到电机附近以及远处任意位置的噪声预测结果，也可以进行声场云图的输出。下图即为Actran的声学分析模型，借此可以进行电机在自由声场中的声学响应。

        计算结果云图可以在Actran VI中显示。Actran pltviewer可以直接查看频响函数曲线、声学指向性曲线，并进行倍频程转换、总声压级求解和一些声学主观评价量的计算。

5.1 技术路线

气动噪声由流体运动产生。在仿真流程中既需要进行流场分析，又需要进行声场分析，因此在仿真流程中，需要利用流体软件与声学软件进行气动噪声的耦合分析。

Actran软件基于声类比方法，将CFD基本量（速度、密度、压力）转换为声源并插值到声学网格上作为空间中分布的气动载荷进行声场求解。一般地，时域声学量会被转换为频域量，进行频域声场响应分析。

5.2 气动噪声案例演示

风扇气动噪声案例

本案例为一个小型电风扇的声学模拟，并与位于东京的Hosei大学实验室中的噪声测试进行对比。本例中，流体软件采用MSC2016年收购的一款流体软件SC/Tetra，声学软件采用Actran。下图为采用两种方式计算气动噪声的流程：

在常规的气动噪声仿真计算中，第一步是求解一个稳定的CFD流场，目的是为瞬态计算提供初始场，并验证用于仿真计算的CFD网格是否足够满足气动噪声计算精度要求（可查看截止频率）。第二步是求解瞬态流场并尽可能的使结果稳定，常规的做法是监测某点的脉动压力，看是否呈现周期性。最后一步是瞬态流场稳定后，输出用于气动噪声分析的CFD结果。

SC/Tetra先定义边界后自动划分网格是其一大特色：导入模型→定义材料属性→定义边界→划分网格→运行计算→后处理。CFD的结果选择CGNS格式导出。常规的气动噪声方法需要进行瞬态流场模拟，需要很长的求解时间，并且产生很大的数据量；如果使用上述提到的SNGR方法，即使用稳态模拟结果，这将大大减少CFD的计算负载。

Actran中计算气动噪声源及声传播云图和曲线。

本案例中气动噪声仿真方法得到了与实验非常一致的声学结果，为后期降噪方案的声学评估提供可靠依据。

电机噪声涉及到多个物理场的耦合，判断噪音的来源并不简单。电磁噪声、机械噪声、气动噪声都可能成为影响电机声音品质的主要原因。实验测量更能定量的评价振动以及噪声的特性，但是对于优化改进方案的评估并不灵活。将测量与仿真技术结合运用，更能有效的发挥二者的功能，寻求更经济、更高效的减振降噪方案。本文介绍了采用电磁分析软件、声学软件Actran以及流体分析软件联合仿真的方式预测电机噪声的案例。为今后电机噪声的仿真优化提供了一种思路。