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一种基于有限元法与改进无网格法耦合的双定子电机振动噪声分析方法

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admin 发表于 2024-12-14 02:48 | 查看全部 阅读模式

文档名:一种基于有限元法与改进无网格法耦合的双定子电机振动噪声分析方法
摘要:针对传统有限元法在电机的多物理场耦合计算过程中存在计算量大、耗时长、精度过于依赖网格剖分的缺点,而传统无网格法又存在边界条件施加不方便,在收敛计算过程中矩阵容易产生病态的缺陷.以一台电动汽车用双定子永磁电机为例,提出一种将有限元法与改进无网格法结合的多物理场耦合分析计算方法,来解决旋转机械的振动噪声计算问题.首先,建立电机二维有限元电磁模型,然后深入研究了考虑任意电流激励下的电机电磁力.其次,分别将内外定子齿及永磁体电磁力导入基于有限元和无网格法的三维结构场中进行谐响应分析.在多物理场耦合分析过程中,精确的边界条件和数据传输是求解的关键所在.该文通过在有限元法与无网格法交界面之间的过渡区域内构造一个不匹配的网格数据映射矩阵,可以较好地解决有限元-无网格耦合计算边值问题,实现了两种方法之间的数据映射.然后,将振动分析结果作为边界条件,利用有限元法计算辐射噪声.再次,针对传统无网格-有限元耦合方法求解过程中存在截断误差的缺点,提出构造一种通过修改局部基函数的方法对无网格法进行优化并重新计算谐响应运动.最后,将这两种无网格方法仿真结果与基于有限元计算结果及实验进行对比,在验证了该文耦合计算结果的准确性的同时,还发现改进后的无网格耦合计算方法不仅在精度和鲁棒性上有所提高,而且求解速度远高于传统有限元法耦合求解.该计算方法可以为旋转机械的多物理场耦合计算提供新的思路.

Abstract:Dual-statorpermanentmagnetmotorshaveattractedmoreandmoreattentioninelectricvehicles,renewableenergysources,andflywheelenergystoragesystemsbecauseoftheiradvantagesofcompactstructure,largepowerdensity,andhighoutputtorque.Nevertheless,thenoisecausedbythehigh-frequencyelectromagneticforcehasbecomeaseriousbottleneckissuerestrictingthevibration-noiseanalysisofmotors.Usually,finiteelementanalysis(FEA)hasbeenwidelyusedinthemulti-physicalcouplinganalysisofelectricalmachinery.However,FEAfacessomeprominentdisadvantages,includingthestrongdependenceonmeshqualityandhighcomputationalcost.Inrecentyears,ameshlesstechniquehasreceivedsignificantattentions.ButitisworthnotingthattheshapefunctionofmeshlessmethodcanhardlyfulfillthecharacteroftheKroneckerfunction.Hence,itisurgenttodevelopaquickandaccuratecouplingcalculationtechniquethatcancombineadvantagesoftwomethodsmentionedabove.Takingadual-statorpermanentmagnetelectricmachineusedinelectricvehiclesasanexample,weproposedamulti-physicalfieldcouplinganalysistechniquecombiningFEAwithanoptimizedmeshlessapproachforaccuratepredictionofvibration-noisedistribution.Firstly,atwo-dimensionalFEAelectromagneticmodelisestablished,thenhigh-frequencyelectromagneticforcesexertedonthestatorsandpermanentmagnetsunderarbitrarycurrentsarethoroughlystudied.Secondly,forcesaremappedintothethree-dimensionalstructuralmodelforharmonicresponseanalysisemployingFEAandtheconventionalmeshlessmethod,respectively.Withthecoupledmulti-physicsfieldanalysis,preciseboundaryconditionsanddatatransferarekeystotheprecisionoftheproposedmulti-physicalmodellingtechnology.Inthisresearch,itcanbeachievedbyconstructinganon-matchingmeshdatamappingmatrixattheinterfacebetweenFEAandmeshlesscomputationaldomains.Afterward,thevibrationfrequencyresponseanalysisresultsaretreatedasboundaryconditionstocalculatetheradiatednoiseusingFEA.Thirdly,thematrixofconventionalmeshlessmethodsuffersfromtheill-conditioneddefectintheprocessofconvergencecalculation.Tomitigatethisdrawback,anoptimizedmeshlessmethodisproposedbymodifyingthelocalbasisfunctionstorecalculatethevibration-noiseequation.ThentheresultsofcoupledsimulationbasedonthetraditionalcoupledFEA-meshlessmethod,theoptimizedcoupledFEA-meshlessmethod,andthecompleteFEAcoupledmethodarecompared.Finally,theaccuracyofthesimulationsisverifiedbyanoisetest,whichindicatedthatthemulti-physicsfield-coupledanalyticalapproachwasvalid.Thefollowingconclusionscanbedrawnfromthesimulationanalysis:(1)Electromagnetic-vibration-noiseevaluationconsideringhigh-frequencycurrentharmonicsareperformed.Itisfoundthatfrequenciesofthevibrationandnoiseindual-statorrotormotorsarequitedifferentfromthoseofconventionalpermanentmagnetmotors,namelythefrequencyofthemagneticforceissameasthefrequencyofthecurrent.Besides,forcesfrompermanentmagnetsshouldalsobefullyconsidered.(2)Toaccomplishthedatamapping,anon-matchingmeshdatamappingmatrixattheinterfacebetweenFEAandmeshlesscomputationaldomainsareconstructedtoimposetheboundaryconditions,whichcansatisfynotonlythecontinuityoffunction,butalsothecontinuityofradialandtangentialderivatives.(3)Thispaperproposesanoptimizedmeshlessapproachbasedonthenon-singularweightedfunctionmethod.ComparedwithFEAandexperiment,ithasbeenconfirmedthattheoptimizedmeshlessmethodproposedcannotonlyguaranteethecalculationaccuracybutalsoreducethecalculationtimesignificantly.

作者:李思泽  徐炜  金振  徐涛Author:LiSize  XuWei  JinZhen  XuTao
作者单位:东南大学电气工程学院南京210096
刊名:电工技术学报 ISTICEIPKU
Journal:TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety
年,卷(期):2023, 38(19)
分类号:TU313TM351
关键词:双定子永磁电机  有限元分析  优化无网格法  耦合分析  
Keywords:Dual-statorpermanentmagnetelectricmachine  finiteelementanalysis  optimizedmeshlessmethod  coupledanalysis  
机标分类号:TM351U463.218.7TM924
在线出版日期:2023年10月23日
基金项目:一种基于有限元法与改进无网格法耦合的双定子电机振动噪声分析方法[
期刊论文]  电工技术学报--2023, 38(19)李思泽  徐炜  金振  徐涛针对传统有限元法在电机的多物理场耦合计算过程中存在计算量大、耗时长、精度过于依赖网格剖分的缺点,而传统无网格法又存在边界条件施加不方便,在收敛计算过程中矩阵容易产生病态的缺陷.以一台电动汽车用双定子永磁电机...参考文献和引证文献
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一种基于有限元法与改进无网格法耦合的双定子电机振动噪声分析方法.pdf
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