异步风力发电机电磁噪声数值计算与试验验证

龙英睿，张冬妮，张吉健

（1.江苏中车电机有限公司，湖南 株洲 412000；2.懿朵信息科技有限公司，上海 201108）

发电机已广泛应用于风电、汽车、家电等工程领域，其振动噪声问题也越来越受到重视。发电机噪声可分为电磁噪声、机械噪声和空气噪声。电磁噪声与气隙内的谐波磁场及由此产生的电磁力波幅值、频率和极数，以及定子本身的振动特性（如固有频率、阻尼、机械阻抗）均有密切的关系，还与电机定子的声学特性有很大关系。以上三种噪声中，机械噪声所占成分较少，由空气动力引起的噪声往往可以通过成熟的CFD手段来预测与优化，而由电磁力引起的电磁噪声由于涉及多物理场耦合，其数值分析具有一定的挑战。

大中型异步电动机的噪声比较高，目前仍然是电机设计的一大难题。电磁噪声与激振电磁力和机械振动模态均息息相关，当电磁力波和定子模态的阶次一致且频率相接近时，会导致定子共振从而引起大的电磁噪声，为了避免共振以降低电磁噪声，需要利用有限元法研究激振电磁力和机械振动模态。本文将以某异步风力发电机为例进行电磁振动与噪声数值计算，并通过试验验证，发现数值计算与试验结果具有良好的吻合性，验证了数值计算方法的准确性和可行性，后续在发电机前期开发阶段采用数值模拟对其电磁噪声进行快速预测与优化，为发电机低噪声设计及选型提供工程指导。

1 基于联合仿真的发电机电磁振动噪声的计算

1.1 发电机电磁噪声理论基础

发电机可看作电机的逆过程，与一般电机电磁噪声基本相同，电机电磁噪声主要是由电磁力作用在定、转子间气隙中，产生旋转力波或脉动力波，促使定子产生高倍数电源频率的振动而引起的。

定、转子间产生的电磁力可分解为切向和径向两个分量，切向分量是与电磁转矩对应的反作用力，它使定子齿根产生局部变形，对电磁噪声影响不大，径向分量使定子铁心产生振动变形，是电磁噪声的主要来源，单位面积的径向电磁力Fr的数值及分布按（1）式计算：

电磁力作用在电机定子上，使其产生振动，电机的无阻结构振动方程可表示为：

式中：M、K分别表示系统质量、刚度矩阵，{x(t)}为偏离原平衡位置的广义位移矢量。

电机结构在电磁力作用下振动对外辐射噪声，声波传播过程的波动方程为：

1.2 技术路线

电机振动噪声系统是一个多物理场耦合的系统，预测电机电磁噪声需要计算电磁、结构与噪声耦合场，即建立电机电磁-振动-声学单向耦合分析模型，首先将通过电机电磁建模分析输出电磁力结果，然后将电磁力数据映射到结构有限元模型输出振动结果，最后建立声学模型进行声辐射计算，并预测电机电磁噪声，实现电机电磁-振动-噪声多物理场耦合的方法计算电磁噪声，其技术路线如下图1。

图1 电机电磁-结构-声学耦合分析技术路线

1.3 发电机电磁分析

利用Infolytica软件的MagNet模块来完成风力发电机的电磁与电磁力计算。电磁计算模型可直接在MagNet中建立，通过边界设定、材料属性设定和网格划分等操作，经过电磁计算得到电磁模型单元节点电磁力，经过自编电磁噪声接口程序转换，输出结构软件Ansys可读取的电磁力数据格式，以便进行后续振动计算。风力发电机的磁密、电磁谐波及电磁力波分析结果如下图2。

图2 磁密及磁力线分布图

从图2可以看出，发电机磁场分布对称，磁密值在合理的范围内，且均在设计值范围内，满足电磁方案磁密设计的要求。

图3 电磁谐波图

从图3可以看出，发电机定子与转子的气隙基波磁密为0．69T，但基波磁密对噪声是无影响的，可忽略，发现6、8、11、13次谐波较大，对电磁噪声影响较大，需要重点关注。

从图4可以看出。

图4 定子齿电磁力波图

（1）总体而言，电磁力波频率主要分布在2000Hz以下，主要集中在0～500Hz和1200～1800Hz频段，主要电磁噪声也将集中在此频段。

（2）可以看出，在关键频率点如50Hz、100Hz、150Hz、200Hz等为电源工频的整数倍，是电源谐波引起的典型电磁噪声；在1452Hz等位置有较大的峰值，这是典型的发电机转频造成的电磁谐波。

（3）发电机在高频1452Hz附近幅值比低频100Hz处幅值较小，但由于人耳对低频噪声不敏感，即100Hz附近噪声对总声压级贡献较小，而1452Hz附近可能为主要电磁噪声源。

1.4 发电机模态分析

发电机原始模型为电机装配体结构，由于原始模型部件较多，且部件之间的连接关系复杂，如转子系统、螺栓等，直接对原始模型进行模态分析会造成网格单元较多、分析周期冗长，因此需要对模型进行适当简化，前提是简化后的电机结构模型在性能上与原始模型差别不大，经模态计算后，整机模态在4500Hz以内大约有800阶，这里不一一列出，只列出典型模态频率和振型如下图5、图6。

图5 定子及机座有限元模型示意图

图6 模态振型图（上：定子，下：机座）

模态分析结论如下。

（1）主要提取了4500Hz以内的模态振型和频率，实际上在高频如1000Hz以上模态比较密集，难以区分其具体振型结构。

（2）模态计算结果将作为后续的发电机电磁振动频计算的输入。

1.5 发电机电磁振动分析

将1．3节计算得到的电磁力结果进行节点插值到1．4节的模态分析模型上，完成电磁到振动分析模型的电磁力加载，然后进行振动响应数值计算，可以得到发电机结构在电磁激励下的振动响应结果，作为后续的声辐射计算的输入。不同频率下结构的振动位移如下图7所示。

图7 发电机壳体振动位移云图

1.6 发电机电磁噪声分析

在完成1．5节发电机电磁激励下的振动响应后，将发电机结构表面的振动速度或者位移作为声学计算的边界条件，并将其映射在声学面网格上，在电机结构外壁面包络生成声学有限元网格作为声学计算的近场网格，计算电磁辐射噪声。Actran求解发电机电磁噪声时，声学分析流程如图8所示。

图8 发电机电磁声辐射计算流程图

电机声学计算网格模型及虚拟麦克风场点布置如图9和图10所示。

图9 声学计算网格模型示意图

图10 虚拟麦克风点布置示意图

在Actran中经过声学求解计算可以输出声辐射数据。其中图11为发电机在频率1275Hz下的声压云图（单位：dBA），表示发电机壳体辐射声压的分布情况。

图11 发电机辐射声压云图分布（1275Hz）

为了验证仿真结果的准确性，本文对风力发电机本体进行了噪声测试，测试工况及监测点与仿真保持一致。图12和图13分别为仿真与测试的声功率图。

图12 发电机声功率仿真结果

图13 发电机声功率测试结果

从图11～13可以看出，发电机电磁噪声总声功率级仿真值为99dBA、测试值为96．7dBA，仿真与测试结果较为接近，说明计算模型是准确的。仿真计算得到电磁噪声峰值位置为1452Hz，与测试结果相同，两者具有较好的一致性，同时也可以看出在某些频率下（如508Hz等）声压出现峰值，该频率与电机定子结构模态频率相吻合，采取改变结构刚度或增加阻尼等方式以便避开电磁激励频率，可有效抑制结构振动，从而降低噪声。

2 结语

（1）研究了利用电磁、结构与声学软件进行发电机全三维模型电磁噪声的多物理场耦合计算方法，预测了电磁噪声水平，与试验测试相比，两者结果一致性好，仿真预测方法可信。

（2）仿真计算得到的电磁噪声峰值频率为1452Hz，与测试结果吻合，从侧面验证电机电磁噪声源主要分布在1452Hz左右，为工程降噪提供了指导方向。

（3）本文提出的电磁噪声计算方法可用于电机电磁噪声的研究与分析，为低噪声发电机或电机产品设计与优化提供工程指导，可以在产品设计阶段对电磁噪声进行前期预测与优化，减少后期由于噪声超标所导致的费时费力的优化工作，从而提高产品的竞争力。

（4）后续将在此基础上进一步做优化与分析工作，对不同电磁方案的电磁噪声进行分析，研究噪声性能较好的电磁设计方案，如对不同齿槽配合、开口槽与闭口槽等进行优化分析等。同时还将针对原量产的发电机产品通过试验手段分析电磁噪声特性，找出电磁噪声偏大的原因，提出工程降噪治理方案，并通过试验验证。

参考文献：

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