(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211160676.8 (22)申请日 2022.09.22 (71)申请人 哈尔滨工程大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南 通大街145号哈尔滨工程大学科技处 知识产权办公室 (72)发明人 率志君　魏琦　曾德鹏　李昱堃　 李翔宇　邱威森　李玩幽　侯昭霆　 (51)Int.Cl. G01R 31/34(2006.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种永磁同步电机电磁振动数值模拟研究 方法 (57)摘要 本发明的目的在于提供一种永磁同步电机 电磁振动数值模拟研究方法， 包括如下步骤： 建 立永磁同步电机机械模型与电磁模 型； 对机械模 型与电磁模 型进行前处理； 由电磁模 型计算气隙 径向和切向磁密的时空分布； 计算径向电磁力的 时空分布； 校正机械有限元模型； 加载电磁力至 永磁同步电机机械有限元模型； 对机械模型进行 瞬态响应计算， 获得振动响应结果。 本发明通过 数值模拟可以研究永磁同步电机的电磁分布和 机械特性， 进而可以准确高效的计算出永磁同步 电机的电磁振动特征， 用来指导低噪声永磁同步 电机的实际设计生产。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 115453359 A 2022.12.09 CN 115453359 A 1.一种永磁同步电机电磁振动数值模拟研究方法， 其特 征是： (1)建立永磁同步电机 机械模型与电磁模型； (2)对机械模型与电磁模型进行前处理， 分别 对机械模型和电磁模型划分网格， 赋给反 映真实情况的边界条件和连接参数， 赋 给的电磁参数、 进行网格无关性验证； (3)由电磁模型计算气隙径向和切向磁密的时空分布， 预设磁密提取路径、 通过场方程 预设磁密分解公式、 从计算结果中提取路径上的径向和 切向磁密； (4)应用Maxwel l应力张量法计算径向电磁力的时空分布； (5)基于永磁同步电机的模态试验校正机 械有限元模型； (6)加载电磁力至永磁同步电机机械有限元模型， 编写APDL命令流将步骤(4)计算得到 的结果加载至 机械有限元模型 上的对应位置、 实现单向耦合； (7)对机械模型进行瞬态响应 计算， 获得振动响应结果， 并对响应结果进行后处 理。 2.根据权利要求1所述的一种 永磁同步电机电磁振动数值模拟研究方法， 其特征是： 步 骤(1)中对同一电机分别建立 三维机械模型和二维电磁模型。 3.根据权利要求1所述的一种 永磁同步电机电磁振动数值模拟研究方法， 其特征是： 步 骤(2)划分网格中， 对气隙和齿部区域网格进行加密处 理。 4.根据权利要求1所述的一种 永磁同步电机电磁振动数值模拟研究方法， 其特征是： 步 骤(4)应用Maxwel l应力张量法由磁密计算径向电磁力， 计算公式如下： 式中μ0为真空磁导率， μ0＝4π×10‑7H/m； Br( θ,t)为径向磁密； Bn( θ,t)为切向磁密； θ为 空间角度， 单位rad； t为时间， 单位s。 5.根据权利要求1所述的一种 永磁同步电机电磁振动数值模拟研究方法， 其特征是： 步 骤(5)中， 建立电机整体三维CAD模 型， 利用对几何体划分网格， 将经过前 处理后的有限元模 型导入结构有限元软件进行模态分析， 然后通过试验模态结果修正有限元模型， 包括修正 电机各部件之间的连接情况、 整机安装状态内外 部边界条件。 6.根据权利要求1所述的一种 永磁同步电机电磁振动数值模拟研究方法， 其特征是： 步 骤(6)中， 利用函数加载法将电磁力波沿定子内表面的径向加载， 加载力的节 点只选择在内 表面上的第一层节点； 对于真实的 电磁力波， 可以看成是由许阶次频率不同的单阶次单频力波叠加而成， 真 实电磁力波对应的加载函数为： 式中f0为某一阶次的电磁力波； Fn为某一阶次电磁力波的幅值； ωn为电磁力波的频率； in为电磁力波阶次； θ 为角度； 为电磁力波相位。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115453359 A 2一种永磁同步电机电磁振动 数值模拟研究方 法 技术领域 [0001]本发明涉及的是永磁同步电机电磁减振降噪方法， 具体地说是永磁同步电机电磁 振动预测及抑制研究方法。 背景技术 [0002]永磁同步电机具备众多显著优点， 其结构较为简单， 运行过程更可靠； 并且电机可 以根据使用环境被灵活设计， 因此永磁电机被大量应用于国防工业 等尖端行业。 [0003]人们所关注的电机振动频率范围通常为0—1000Hz， 而噪声频率则在1000Hz以上。 电机的振动噪声 可分为以下三类： (1)电磁振动噪声。 电磁振动的激励 源是气隙中的电磁力 波， 该电磁力波是 由磁密(永磁体和定子绕组产生)相互作用产生的， 电磁振动的传递路径 为： 定子铁心—定子机壳—机座， 最后振动通过机座传递到底座， 噪声通过机壳往外辐 射。 如果径向力接近或等于定子—机座系统的固有频率， 则将产生共振， 这会导致电机定子系 统的形变并产生振动和声 学噪声。 电磁振动噪声主要与电机内高次空间及时间谐波、 偏心、 相间不平衡、 槽开口、 磁饱和以及铁心叠片磁致伸缩形变等难以完全避免的因素有关。 (2) 机械振动噪声， 主要与轴承类型、 轴承缺陷、 轴径椭圆度、 轴瓦接触面、 转轴弯曲、 转子不平 衡、 轴不对中、 联轴器、 万 向节以及齿轮等因素有关。 (3)空气动力振动噪声， 主要由风扇产 生， 空气流经途径中的任何障碍物都会产生噪声。 [0004]永磁同步电机 的电磁振动是引起电机噪声辐射的一个主要的原因。 同时， 试验表 明： 通过优化电机电磁 设计， 可以优化气隙磁密和电磁力波波 形， 能够有效降低电机的振动 噪声水平。 因此要想有效降低永磁同步电机振动与噪声值， 必须深入研究永磁电机内磁密 和电磁力波的分布情况， 这不仅揭示了引起电机振动的内在理论因素， 也为工程上抑制永 磁电机的振动噪声提供了方向。 [0005]当前对永磁同步电机振动特性研究较少， 并且缺少振动优化设计来降低振动水 平。 所以对永磁同步电机电磁振动的数值模拟具有重要意义， 可以更好的研究永磁同步电 机在各种工况 下的电磁振动特性， 为振动预测 和振动优化 提供了技 术支持。 发明内容 [0006]本发明的目的在于提供可以减少通过试验研究振动的局限， 并且基于数值方法可 以进行永磁同步电机振动预测和优化设计， 指导 实际低振动永磁同步电机 设计和生产的一 种永磁同步电机电磁振动数值模拟研究方法。 [0007]本发明的目的是这样实现的： [0008]本发明一种永磁同步电机电磁振动数值模拟研究方法， 其特 征是： [0009](1)建立永磁同步电机 机械模型与电磁模型； [0010](2)对机械模型与电磁模型进行前处理， 分别对机械模型和电磁模型划分网格， 赋 给反映真实情况的边界条件和连接参数， 赋 给的电磁参数、 进行网格无关性验证； [0011](3)由电磁模型计算气隙径向和切向磁密的时空分布， 预设磁密提取路径、 通过场说　明　书 1/4 页 3 CN 115453359 A 3