Actran：电机噪声难题的终极解决方案

1声学软件Actran简介

Actran是由比利时FFT公司开发的一款通用声学仿真计算软件，被应用于各个行业进行声学性能的仿真计算和评估。在2011年，美国MSC Software将FFT公司收购，但依然保留FFT公司对Actran软件的独立开发、维护及服务。随着公司各产品技术的逐渐融合，MSC在振动噪声、机械运动噪声、气动噪声、冲击碰撞噪声、结构大变形过程中的噪声问题等方面，开发出更成熟的依赖于Actran的仿真方案。

Actran是最早的声学有限元方法的商业化程序，而如今，这种有限元方法已经被广泛应用于各行业声学的仿真模拟中。基于Actran高效率的声学求解器，声学有限元方法已经向更高频、更大规模的声学问题发起挑战。其独创的间断伽辽金方法也已经在超高频、大空间、强对流场的声学问题上得到了持续性的验证和扩展应用。先进的求解方法和高效率的求解器使得Actran软件能够模拟的声学问题更加全面。

2电机噪声问题概述
随着世界经济的发展和人民生活水平的提高，电机的用量与日俱增，而电机噪声也成为越来越无法回避的问题。电机的振动噪声涉及了电磁的能量转换、机械振动、振动辐射声波等许多学科，这也为电机的噪声控制带来很大的困难。

电机噪声可以分为三种类型：

1）电磁噪

交替变化的电磁场引起某些机械结构或者空腔的振动产生电磁噪声。一般情况下，电机气隙中存在各种阶次、各种频率的旋转径向电磁力。径向力使得转子铁芯、定子铁心以及机座产生随时间周期性变化的振动。因此，电磁力的频率特性决定了振动的大小及频率特性。由于转子铁心刚度很大，所产生的振动量很小，所以定子铁心和机座的振动是产生电磁噪声的主要因素。

其中涉及到电磁场分析软件、振动声学分析软件、CAD软件等。Actran作为振动声学分析软件，可以直接读取Jmeg等电磁分析软件输出的unv格式的电磁力，并采用位置映射的方式，将电磁力加载到振动分析模型中。对于unv数据格式的支持使Actran能够读取众多电磁软件的输出文件。该解决方案可以实现电磁直接到声学的完整仿真计算过程。

4.2. 电机电磁噪声案例

本文以某转速为1800转/分，4极24插槽电机噪为例，对其电磁振动噪声问题的预测进行说明。

该题目中，电磁仿真采用Magnet软件进行计算；结构动力学分析采用Patran建模，MSC. Nastran计算；声学分析采用Actran。为了让整个仿真流程能够实现自动的数据传递，并且克服Nastran等结构动力学软件无法读取Magnet电磁力文件的不便，此题目采用FSIMapper软件进行数据的转换，并将时域电磁力转换成频域电磁力。仿真流程如下：

此电机在电磁仿真建模时可以简化成1/4周期性模型，减少计算量。采用180个时间步进行3维的瞬态分析，并输出面力密度（SFD~B2）

采用Patran建立结构振动Nastran有限元分析模型。采用Nastran进行模态求解，得到其模态振型。

FSIMapper可以将1/4周期模型的结果映射到全周期的Nastran结构节点上，并且将时域的面力密度转化成频域的面力密度，输出成Nastran的载荷bdf文件，可以直接被Nastran计算调用进行振动响应求解。

Actran可以直接读取Nastran、Ansys及Abaqus软件计算的振动响应文件。在此算例中，Nastran计算得到的壳体振动位移响应op2结果文件直接作为Actran中声辐射计算的边界条件（BC Mesh），利用有限元和无限元方法进行辐射噪声的仿真计算。在Actran中进行辐射噪声计算有两种方式：弱耦合和强耦合。对于电机在空气中的辐射噪声问题，可以采用弱耦合方式来求解，即可以将振动声辐射的过程解耦成振动和辐射噪声，进行分步计算。

Actran本身具有结构模态、振动响应求解功能。如果在强耦合的方式下，也可以采用Actran的振动求解功能，直接在Actran中进行声振耦合求解。

利用Actran的field mesh功能，可以得到电机附近以及远处任意位置的噪声预测结果，也可以进行声场云图的输出。下图即为Actran的声学分析模型，借此可以进行电机在自由声场中的声学响应。

计算结果云图可以在Actran VI中显示。Actran pltviewer可以直接查看频响函数曲线、声学指向性曲线，并进行倍频程转换、总声压级求解和一些声学主观评价量的计算。

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