磁致伸縮是指電機硅鋼片鐵芯在交變磁場的作用下，發生微小的尺寸變化的現象，磁致伸縮使鐵心隨勵磁頻率的變化做周期性振動。本文主要研究磁致伸縮力和麥克斯韋力對電機振動噪聲的貢獻，從而對電機的振動噪聲控制提供依據。

分析必要性

電機的振動噪聲主要包括電磁振動噪聲、機械振動噪聲和冷卻系統振動噪聲。其中電磁振動噪聲激勵源包括麥克斯韋力、磁致伸縮力和洛倫茲力，通常認為麥克斯韋力是主要的電磁激振源而磁致伸縮力和洛倫茲力是次要激振源。但是隨著變頻電機的日益普及，國內外對磁致伸縮力的研究也逐漸重視。

磁致伸縮是指電機硅鋼片鐵芯在交變磁場的作用下，發生微小的尺寸變化的現象，磁致伸縮使鐵心隨勵磁頻率的變化做周期性振動。本文主要研究磁致伸縮力和麥克斯韋力對電機振動噪聲的貢獻，從而對電機的振動噪聲控制提供依據。

以某電機硅鋼片為研究對象進行磁致伸縮等效力學建模技術研究，形成模型仿真方法，以此為基礎，開展電機內部磁致伸縮力和麥克斯韋力的計算研究，并針對一系列不同工況開展磁致伸縮力和麥克斯韋力作用下電機機殼的響應分析，得到磁致伸縮力與麥克斯韋力對電機振動不同影響以及不同的貢獻度分析結論。

分析方法

對于磁致伸縮現象數值計算，可以利用經典的有限元軟件ANSYS進行有限元數值分析來完成。主要的思路和方案有三種：

1)開發新的單元

基于壓磁耦合的偏微分方程，利用ANSYS強大的二次開發功能，開發出新的壓磁單元。這種方法一旦開發完成，使用起來比較方便，直接，將大大有利于將來的磁致伸縮效應分析，但該方法開發周期可能比較長，而且需要ANSYS本體程序關于耦合單元應用方面的接口函數，參數說明，可能面臨失敗的危險，而且需要較長時間的驗證，核對工作。

2)壓電比擬法

ANSYS中的耦合域 功能可以完成壓電場分析，壓電效應與磁致伸縮效應雖然現象不同，但物理機制是相同的，因此，應用壓電一壓磁 比擬法可以進行磁致伸縮分析。該方法國外國內都有不少研究者使用過，得到了試驗的驗證，計算精度也不錯。

3)熱比擬法

采用單向耦合，對磁致伸縮引起的硅鋼片位移變化認為不足以引起磁場明顯變化。熱比擬法將基于硅鋼片材料磁致伸縮試驗得到的材料磁致伸縮特性，在得到電機一系列工況下硅鋼片上的磁場分布后，通過有限元單元上節點處磁場強度矢量分布的處理，插值硅鋼片磁致伸縮特性曲線，進而得到對應每個節點上的應變數值。由于節點處的應變和節點位移變形是需要單元的形函數加以協調，同時與單元尺寸相關，不宜直接求解。可以采用熱比擬法，將應變做為熱比擬法計算的基礎參數，取假定的熱膨脹系數和初始參考溫度，得到硅鋼片區域一系列不同節點上的最終溫度，并以此結果做為熱分析的節點溫度載荷，進行熱計算，得到節點協調的位移及應力。

文采用熱比擬方法針對2D電機做磁致伸縮分析。

驗證案例

圖1 整體電機有限元模型

圖2? 材料磁致伸縮特性曲線

磁致伸縮力振動結果：

在磁場分析結果的基礎，得到鐵心硅鋼片上所有節點的B，并保存為數組。電磁場分析中1，2工況均是瞬態分析，模擬轉子的旋轉運動，時間步長較小，因此數組將提取每個節點每個時間子步下的B結果。然后進行FFT變換，得到頻域結果。通過數組操作，利用硅鋼片材料的磁致伸縮曲線，采用*VITRP進行每點每頻率下的插值處理得到對應B下面的應變。同時假定熱膨脹系數和初始參考溫度，得到引起相同應變的每個節點上溫差載荷，施加到模型上，對應每個頻率進行掃頻分析，得到對應情況下的磁致伸縮力引起的振動位移。

空載工況下，典型幾個頻率下磁致伸縮引起的振動結果見圖3至6.

圖3? 66Hz下鐵心磁致伸縮振動位移?

圖4? 132Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

圖5? 264Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

圖6? 2046Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

電機定子繞組施加理想正弦波電流(頻率66Hz，基波幅值50A)，轉子旋轉工況下典型幾個頻率下磁致伸縮的振動結果見圖7至10.

圖7? 66Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

圖8? 132Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

圖9? 264Hz下鐵心磁致伸縮振動位移?

圖10? 2046Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

變頻供電電流(基波頻率66Hz，基波幅值50A，諧波頻率2kHz，諧波幅值15A)，典型幾個頻率下的電機麥克斯韋力引起的振動結果見圖11至14.

圖11? 66Hz下鐵心磁致伸縮振動位移??

圖12? 132Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

圖13? 264Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

圖14? 2046Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

由于振動結果尤其是磁致伸縮振動結果，電流基頻以及兩倍頻情況振動的振幅和振動速度相比于其他頻率范圍，數值較大，因此我們將整個比較的頻率段分為66-132Hz和大于132Hz兩種情況進行對應對比，對于三種工況下的振動振幅和振動速度，66Hz，132Hz兩個頻率下結果可見下表：

工況1(空載)

66Hz和132Hz下麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動位移對比見

圖15? 66Hz，132Hz時麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動位移對比

66Hz和132Hz下麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動速度對比見

圖16? 66Hz，132Hz時麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動速度對比

工況2(正弦波電流)

66Hz和132Hz下麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動位移對比見

圖17? 66Hz，132Hz時麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動位移對比

66Hz和132Hz下麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動速度對比見

圖18? 66Hz，132Hz時麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動速度對比

工況3(變頻電流)

66Hz和132Hz下麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動位移對比見

圖19? 66Hz，132Hz時麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動位移對比

66Hz和132Hz下麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動速度對比見

圖20? 66Hz，132Hz時麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動速度對比

66Hz工作電流頻率下，麥克斯韋力引起的振動振幅和振速相比于磁致伸縮力量級相當，某些位置麥克斯韋力較磁致伸縮力為大，某些位置麥克斯韋力較磁致伸縮力為小。

132Hz工作電流倍頻頻率下，麥克斯韋力引起的振動振幅和振速相比于磁致伸縮力引起的要大1，2個數量級，但在不同的工況情況下，差別的大小有所變化，不同位置處，磁致伸縮力對振動的貢獻度有小的差別。

結論：

通過熱點比擬法可計算電機不同工況下由于磁致伸縮產生的硅鋼片振動情況。

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1、電機多物理場仿真解決方案

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7、統一數據庫下電機多物理場耦合分析

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總結

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