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4 谐响应分析
首先在Workbench中，从左侧工具栏拖入Harmonic Response模块，并如下图导入电机定子三维几何模型。![]()
导入电机定子三维几何模型
将Maxwell2D-Solution拖拽到Harmonic Response-Setup， Maxwell2D-Solution会再次变回闪电标志，重新在Maxwell2D-Solution右键Update， 当Maxwell2D-Solution变为绿色对号时，表示电磁力数据已经链接到Harmonic Response模块。
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将Maxwell2D-Solution拖拽到Harmonic Response-Setup
接下来双击Harmonic Response的Model单元进入Mechanical界面，首先在Tools-Units菜单修改默认单位，同时将转速单位设置为RPM。![]()
修改默认单位并将转速单位设置为RPM
为了便于将电磁力施加到定子齿部，可对各段定子齿尖表面创建Named
Selection，命名为tips。
(1) 选中任意一个齿顶面，右键选择Create
Named Selection；
(2) 在弹出的窗口中选择Apply
geometry items of same，勾选Size。
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创建Named Selection
接下来进行电磁力导入设置。首先选中左侧Imported Remote
Loads，在下面的属性窗口利用Named
Selection选中所有定子齿顶面，Remote
Points选择Global
Available，Number of
Frequencies to Consider=101， 采样计算方法见下图所示。![]()
电磁力导入设置
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采样计算方法
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采样计算方法
接下来软件将自动导入了9个转速点对应的齿部电磁力载荷，可见电磁力已在相邻两个转速点之间进行了插值，同时软件自动完成了Analysis Setting的设置。![]()
软件自动导入了9个转速点对应的齿部电磁力载荷
在谐响应Analysis Settings的属性界面，将求解方式设置为Mode Superposition模态叠加法，采用该算法时，谐响应模块内部会先进行模态分析，然后基于模态分析结果利用模态叠加法进行谐响应分析，这种算法在保证精度的同时可节省大量计算时间。![]()
选择模态叠加法进行谐响应分析
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Moments及Forces载荷
电机在实际工作中，通常采用法兰、底脚等固定方式。因此在谐响应分析时需要对这些固定位置施加合理的约束条件，本例中对简化的机壳安装孔施加Fixed Support约束条件。![]()
对机壳安装孔施加Fixed Support约束条件
接下来创建定子机壳外表面的Named Selection，命名为shell。![]()
创建定子机壳外表面的Named Selection并命名为shell
为了分析定子机壳表面的等效辐射功率级瀑布图，用户需要在Solution-Insert-Frequency
Response添加ERP Level
Waterfall Diagram设置，并将其作用于定子机壳表面。![]()
添加ERP Level Waterfall Diagram
以上完成了多转速谐响应分析的全部设置，接下来在Solution处点击右键选择Solve进行分析，分析结束后查看ERP Level Waterfall
Diagram等效辐射功率级瀑布图，结果如下图所示。![]()
ERP Level Waterfall Diagram等效辐射功率级瀑布图
为了便于对仿真结果后处理，用户可在Coordinate System处点击右键插入Cylindrical坐标系。![]()
插入Cylindrical坐标系
除了分析ERP Level瀑布图，用户也可在Solution-Insert-Frequency
Response添加Equivalent
Radiated Power Level设置，查看某个转速下的谐响应分析结果，如用户需看一下6000rpm的情况，只需将RPM set number设置为9即可，对应6000rpm的工况。![]()
查看6000rpm转速下的谐响应分析结果
用户也可在Solution-Insert-Frequency
Response添加Stress、Deformation、Velocity等设置，查看机壳表面在某个转速下的应力、形变、振动速度等在频域下的曲线。
如用户需查看6000rpm时径向振动速度，需在坐标系处选择前面添加的柱坐标系，X Axis对应径向，Y Axis对应切向，此处选择X Axis。
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查看6000rpm转速下的向振动速度结果
6000rpm时机壳表面某处径向振动速度结果如下图所示，分别为幅值和相位结果。![]()
6000rpm时机壳表面某处径向振动速度结果
5 噪声分析
在谐响应分析的基础上，用户可以进一步在Harmonic
Acoustics模块中导入谐响应分析得到的振动速度载荷来分析空间中的噪声分布。噪声分析需要对应的求解域，一般为球状或半球状空气包，为了便于显示本文采用圆环状求解域，重点分析电机侧面的噪声分布，这也是径向电磁力产生噪声的主要传播路径。
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圆环状求解域
首先回到Workbench界面，从左侧工具栏拖入Harmonic Acoustics模块，并按下图进行链接，接着在Harmonic Acoustics模块的Geometry处导入空气域模型。![]()
拖入Harmonic Acoustics模块
接下来将求解域材料属性修改为Air，机壳与空气域接触的面创建Named Selection，命名为shell2air，用于施加谐响应分析得到的载荷。![]()
将求解域材料属性修改为Air同时创建Named Selection
接下来在Imported Load 处同步分析设置，并将振动速度载荷导入到shell2air对应的面。![]()
将振动速度载荷导入到shell2air对应的面
在Imported Load 处点击右键选择Import Load，软件会依次导入每个转速对应的振动速度载荷，由于是基于网格映射，导入过程需要一些时间。![]()
依次导入每个转速对应的振动速度载荷
由于声音在空间中是向无限远处传播的，因此需要添加辐射边界条件，选中空气域外侧面，在Harmonic Acoustics点击右键添加Radiation Boundary。![]()
添加辐射边界条件
在Solution处插入Far-field Sound Power Level
Waterfall Diagram，然后右键点击Solve开始求解，计算结束后查看多转速噪声分析结果，结果如下图所示。![]()
多转速噪声分析结果
接下来插入Acoustics下的A-Weighted Sound Pressure Level，可查看6000rpm@7200Hz的A计权声压级分布，如下图所示。![]()
6000rpm@7200Hz的A计权声压级分布结果
软件支持将多转速瀑布图的数据点导出为文本文件或xml文件，用户可以在Ansys Sound中绘制瀑布图、阶次切片分析。软件也支持将频域下的瀑布图转成时域WAV文件，用户就可以听到电机变转速过程中的噪声变化。![]()
电机变转速过程中的噪声变化
6 定子模态分析
在前面的分析中，我们没有先进行定子模态分析，这是因为在谐响应分析模块中，当使用模态叠加法时，软件会自动在后台先进行一次模态分析，基于后台计算的模态结果与电磁力结果再进行耦合计算。用户也可以手动完成定子模态分析，再将模态分析结果导入谐响应分析模块，流程如下图所示。![]()
首先手动完成定子模态分析，再将模态分析结果导入谐响应分析模块的流程图用户需要注意的是，在单独进行模态分析时，需要对定子机壳安装孔设置Fixed
Support约束条件，如下图所示。![]()
对定子机壳安装孔设置Fixed Support约束条件
(1) Max Modes to Find设置为400；(2) Limit Search to Range设置为Yes；(3) Range Maximum设置为25000Hz；用户需要注意的是，这里我们要确保模态分析的最大频率大于后面谐响应分析模块中电机在最高转速时的电磁力频率的最大值。![]()
模态分析设置
分析设置好后进行求解计算，计算完成后可查看模态分析结果，结果如下图所示。
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模态分析结果
7 总结
(1) 本文以一经典案例介绍了基于Ansys平台的电机振动噪声分析流程，流程主要关注电机定子所受麦克斯韦电磁力导致的机壳谐振所产生的表面辐射功率对电机振动噪声的贡献，这也是传统电机振动噪声分析理论所重点讨论的内容；(2) 实际工程中，除定子侧产生的振动噪声外，电机纹波转矩导致的轴系共振也对动力系统噪声有较大贡献，但纹波转矩比较容易通过斜极斜槽、磁极修型、主动注入电流谐波等措施得到改善，对于轴系共振噪声，读者可进一步查阅Ansys Maxwell与Ansys Motion联合仿真解决方案；(3) 本文忽略了一些电机振动噪声仿真中的实际因素，如端盖和绕组模型的等效、定子铁心装配预应力、铁心各项异性的材料属性以及结构阻尼等等，这些因素都会不同程度上影响振动噪声分析的结果，需要各位工程师在实际工程项目中，结合相关理论和实验测试结果进行深入的研究。Ansys提供了一体化、多学科、多物理场、多目标优化分析的有限元分析平台，可以精确分析并优化电机NVH性能。利用Maxwell2D/3D快速仿真电机在多转速下定/转子表面的频域电磁力并无缝链接到Workbench平台Harmonic Response模块进行多转速谐响应分析，得到电机的ERP Level Waterfall图，用于分析电机在各转速下的谐振情况；同时多转速谐响应分析结果也可传递到Harmonic Acoustics模块进行Sound Power Level Waterfall的分析，用于进一步对电机噪声水平进行评估；利用频域下的瀑布图转成时域WAV文件，用户可以听到电机变转速过程中的噪声变化，进行声学分析、声音设计、心理声学指标计算等。Ansys平台电机NVH仿真流程为电机NVH优化设计提供了参考。- 50多年来，Ansys软件凭借其强大的仿真预测功能，助力高瞻远瞩的创新企业实现突破，展现自我。从可持续交通到先进半导体，从高精尖的卫星系统到拯救万千生命的医疗设备，Ansys始终致力于帮助客户迎接技术挑战，解决设计难题，不断引领他们超越想象，演绎精彩。Ansys正推动人类踏上全新的伟大征程。
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