Manatee振动噪声分析

2023年11月24日发(作者：二手车超过几年不能买)

Manatee软件电磁振动噪声分析

北京天源博通科技有限公司

褚占宇

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利用Manatee软件分析丰田Prius2004电机电磁及振动噪声

Manatee软件是由法国EOMYS公司研发的，可以计算电机的电磁振动噪声

的软件。北京天源博通科技有限公司是该软件在中国的代理商。

本文主要是利用Manatee软件分析丰田Prius2004款电机的电磁及振动噪声。

表1是丰田Prius2004电机的主要尺寸参数。

表电机主要的参数

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名称数据

定子外径/mm269.24

定子内径

/mm161.9

气隙长度/mm0.75

铁心长度

/mm83.82

转轴外径/mm110.64

极数/槽数8/48

1建模流程

首先打开Manatee软件。如下图所示。

选择电机类型，点击NewMachine按钮，选择要编辑的电机类型。

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在电机类型里面选择BPMSM，为内置式的永磁电机类型。P中输入极对数

为4（注意这里是极对数不是极数）。

接着设置MachineDimensions选项，在这里设置电机的定子外半径为

134.62mm,定子内半径为80.95mm，转子外半径80.2mm，转子内半径为55.32mm。

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计算出气隙长度为0.75mm。

设置定子轴向长度，定子硅钢片轴向长度为83.82，硅钢片的叠压系数设置

为0.95。没有径向通风道和轴向通风口。

设置定子槽型，软件提供了多种槽型，选择相应的槽型进行设置。在这里选

择槽型11，以下为具体的槽型尺寸参数。

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当设置好后，可以点击Preview按钮，生成如下图所示。

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定子绕组设置，Prius2004为3相双层，分布短距，绕线间距为5，并绕

根数13，并联之路数1，每线圈的串联匝数9。

点击next按钮，选择3相双层，绕组跨距为5。

点击Preview按钮，生成如下图所示。

点击next按钮，设置并联之路数1，每线圈的串联匝数9。

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点击next按钮，选择圆导线，材料选择铜，并绕根数13，设置线径0.912mm。

点击next按钮，设置端部绕组。设置端部绕组直线伸出长度为0，端部调整

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系数为0.5。

点击next设置转子，转子硅钢片长度为83.82mm，硅钢片的叠压系数为0.95，

硅钢片材料属性为M400-50A。

点击next按钮，设置永磁体尺寸，选择永磁体槽型为slotType50，具体尺

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寸按着下面图形输入，永磁体材料为magnet7.

点击preview按钮，生成如下所示的图形。

当全部建完后，点击保存按钮，把新建的电机模型保存下来。

2开路变速声学分析

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点击Workflow—〉Variablespeed设置变速，最小转速是500，最大7000，

步长为50。

电气模型参数定义了如何计算电流和等效电路参数。第一个模拟是一个开路

的案例，因此它没有被使用，所有的参数都可以作为默认值。

点击Electrical，按着如下图所示进行设置。

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点击Assumption按钮，生成如下图所示。

这里可以设置绕组和永磁体温度，包括铁耗的计算方法，是否考虑集肤效应，

机械损耗的定义等。

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电磁模型的设置，点击electromagnetic

电磁模块参数定义了如何计算气隙磁通量的分布。例如可以用有限元法，子

域模型等并且可以考虑非线性。

由于它是一种开路电路模拟，所以忽略了定子磁场的影响。这意味着电枢磁

场没有计算，只计算了转子磁体的磁场。因此点击Assumption只是勾选Is_mmfr。

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故障参数的设置Faults

故障参数可以考虑电机短路、断条、偏心等故障。由于本案例暂时不考虑，

故跳过设置。

机械模型的设置，点击Mechanical按钮。

机械模型参数定义了如何计算定子或转子结构的动态挠度（如FEA或实验

模态参数）。选择了用于计算自然频率的默认的二维分析模型：在这里使用路算

法。如下图所示。

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对所有的结构模式都有一个恒定的阻尼。电机的周向模式通常在0.8%到

2.5%之间，这里设置了2%的值。

声学模型设置，点击Acoustics.

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声学模型参数定义了声压级是如何计算的。这里有默认选项，这意味着电机

被假定为平放在地板上，而声音压力水平是计算在距离电机框架1米的地方。

数值参数模型设置，点击Numerical按钮。

这部分包含了模拟的所有数值参数。MANATEE包含几个检查和警告，以确

保模拟结果是数字的。

一个重要的输入变量是在振动计算过程中要考虑的最大振动频率。它应该根

据电机中观察到的最高的“危险”自然频率，以及最高的磁激发频率（例如，PWM

操作的开关频率的两倍，以及正弦操作的槽口频率的4倍）来选择。小型电机将

具有高频模式，因此需要较高的采样频率。如果指定的最大频率与理论磁激发频

率不一致，则输出中出现一条警告消息。

在数值组/振动-声设置里，周向振动波数的最大数目被设置为9，这意味着

磁激发波数为0、1、2直到8在结构模拟中被考虑在内。根据轭的刚度和槽数，

你可能需要包括多达20个波数（一个大型多极同步发电机的例子）来正确地模

拟主振动波。为了包含极对数的空间频率最大的振动波，这个参数应该至少是

2p+1，如果不是这种情况，就会发出警告信息。

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应该确保数值离散化程度足够高，在一个转子机械周期中有2的11次幂个

点，沿著气隙的2的11次幂个点。此电机非斜极和斜槽。点击OK

计算模型

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当保存为BPM文档后，设置后点击RUN按钮进行计算。

输出结果分析

当计算完毕后，可以对计算文本结果进行简要的分析。其中有理论谐波力分

析。

这张表在开路中扫过了槽/极交互力的谐波，并识别了潜在的有害力谐波。

这些谐波代表了径向和切向力的谐波。该分析依赖于分析方程，可以与数值模拟

分开运行。它有助于解释Manatee的数值结果。

以下是电机的主要参数

一些电机参数

下面可以看出离散化程度足够高

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以下是等效电路的一些参数

在输出结果的文本文档中输入plot_B_space，如下图所示，可以查看气隙磁

密并对气隙磁密进行傅里叶分解。

径向切向气隙磁密

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气隙麦克斯韦径向力分量可以用plot_Fr_fft2_stem

麦克斯韦力径向分量

此图显示的是径向力谐波图。在对主力谐波进行理论分析的基础上，自动对

力谐波进行了自动标注，并给出了最佳解析公式的估计。

静态分量（f=0Hz）会自动移除，因为它不会导致噪声和振动。应该仔细地

检查一下力的范围限制，事实上，最大的力波应该是基本频率的两倍，带有2p

空间的波数。这是“基本力谐波”，即使在纯正弦通量分布的电机中也会出现这种

情况。根据电机的拓扑结构和速度范围，这个基本力可能有一个重要的振动作用

（更高的波数，更硬的是定子轭）。在普锐斯的例子中，这个波数太大了，无法

产生显著的共振。

对于磁振动计算，Manatee在定子和转子结构上投射出麦克斯韦应力张量。

给定频率的磁力波（例如667和800hz）可以使用plot_fteeth_machine667进行

可视化。

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齿力（667hz）

当输入plot_fteeth_machine（800），生成如下图所示。

齿力（800hz）

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可以看出，这些力主要是径向的，

在文本输出栏中输入plot_nat_freq，可以得到自然频率显示，如下图所示。

定子自然频率

在输出文本栏中输入plot_Vr_modal_cont，可以得到不同波数的速度频率图谱。

不同波数速度频率谱

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声学模型

通过plot_aswl_modal_cont可以将噪声功率的每个谱线的模态贡献可视化。

可以用plotl_spl_fft获得声压级谱：

1/3倍频噪音频谱可用plot_aswL_13oct来显示。

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1/3倍频振动噪声频谱

在输出文本栏中输入plot_VS_Ar_spectrogram，可以得到如下图所示。

径向加速度频谱图

整个SPL（声压级）可以用plot_VS_ASPL_overall全局性显示.

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为了得到更多的关于噪音来自哪里的信息，可以在输出文本栏中输入

plot_VS_ASPL_sonagram

离电机1米处的噪声图谱

结构模式对噪声级的贡献也可以通过（plot_VS_ASWL_modal_cont）进行检

查：

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这种识别也可以通过plot_VS_ASWL_spatiogram来实现。

在文本输出栏中输入play_noise，可以听到模拟电机的噪声。

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3固定速度，正弦电流驱动声学分析

在上个BPM文件中首先要激活定子磁场的计算。

接着要设置电流源，如下图所示，设置电流为150A，转速1000Rpm

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点击Run计算按钮，计算完后，在输出文本栏中输入plot_ASWL_fft，得到

如下图所示的声功率图谱。

声功率图谱

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在文本输出栏中输入plot_ASWL_modal_cont，得到如下所示的图。

4变速控制电流仿真计算

在上个文档中，如下图所示，首先设置速度电流相角设置。

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点击Preview按钮，可以清楚的看到电流曲线，速度和超前角曲线。

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保存文件，点击RUN运行计算，在计算输出文本框中输入

plot_VS_ASPL_overall,

可以得到声压水平的图如下图所示。

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5小结

本文主要是通过一个实际的丰田prius2004电机，通过Manatee软件做了3

种工况的分析，每种工况都详细介绍了软件操作流程并且分析了电机的振动噪

声。

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