Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

download Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

of 48

Transcript of Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    1/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 20111

    Electromagnetic Force

     

    Coupling in Electric Machines

    Mark Solveson, Cheta Rathod, Mike Hebbes, 

    Gunjan Verma, Tushar Sambharam

    ANSYS, Inc. 

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    2/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 20112

    Introduction

    •   Low noise regulation

     – Aimed at reduction in noise pollution

    •   Comfort Criteria

     – Noise causes discomfort and fatigue

     – Noise suppression demonstrates 

    technological/marketing 

    edge

    •   Component Failure

     – Sensitivity of  structure to acoustic resonances

    •   The above Applies to many Industry sectors:

     – Transportation, Power, Environmental, Building services

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    3/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 20113

    •   Noise and vibration in electric machines come from many sources. 

    •   ANSYS provides

     excellent

     capabilities

     for

     the

     design

     and

     

    analysis of  electric machines: 

     –   Electromagnetic performance

     –  Electric

     Drive

     performance

     –   Structural analysis

     –   Thermal analysis

     –   Acoustics analysis

    •   ANSYS field coupling technology allows mapping of  electromagnetic forces for Mechanical analysis

    Introduction

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    4/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 20114

    •   Different machines may have different considerations depending on their architecture or control strategies.

     –  Primary

     Forces

     are

     in

    ‐plane

     (radial

     and

     tangential)

    • Single and Three Phase Induction Machines. 

    • PM Synchronous Machines (Surface Mount, IPM).

    • Switched 

    reluctance 

    machines –   Primary force are Axial

    • Axial Flux Machines

    Machine Types

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    5/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 20115

    Noise Sources [1]

    Magnetic

    Radial

    Slot Harmonics

    Magnetic Unbalance

    Mechanical

    Self 

    Stator

    Modes of  Vibration

    Rotor

    Bearings Balancing

    Dynamic Eccentricity

    Unbalanced Rotor

    Elliptical Rotor Surface

    Static Eccentricity

    Auxiliaries   Load Induced

    Couplings

    Foundation

    Aerodynamic

    Fluid Cooling 

    Phenomena

    Electronic

    Switching 

    Harmonics

    [1]  P. Vigayraghavan, R. Krishnan, “Noise in Electric Machines: A Review,” IEEE, 1998

    Audible 

    Frequencies

    20 

    Hz 20 

    kHz5 

    kHz261.63 

    Hz60 

    Hz 4.186kHz

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    6/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 20116

    ANSYS Machine

     Model

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    7/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 20117

    •   ANSYS Machine Design Methodology

     –   RMxprt: calculate rated performance for machine

     –  Maxwell:

     Calculate

     detailed

     magnetic

     FEA

     of 

     machine

     in

     time

     domain

     –   Simplorer: Calculate detailed drive design with coupled 

    cosimulation with either RMxprt or Maxwell. 

    Electromagnetic Design and Analysis

    0

    IGBT3

    IGBT2D10

    D11

    D8

    IGBT1

    IGBT4

    IGBT5D7

    D12

    D9

    IGBT6

    SINE2SINE1   SINE3

    TRIANG1

    +   V 

    V M1  

    E1

    E2

    RphaseA

    RphaseB

    RphaseC

    +

    V_ROTB1

    PhaseA_in

    PhaseB_in

    PhaseC_in

    MotionSetup1_in

    PhaseA_out

    PhaseB_out

    PhaseC_out

    MotionSetup1_out

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    8/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 20118

    Machine Model in Maxwell ‐ Simplorer2D IPM (Interior Permanent Magnet) motor model created from RMxprt and 

    Maxwell UDP (User Defined Primitive) for rotor

    •   4 pole, 1500 RPM, 220 Volt DC bus.

    •   Two Control Strategies used: 

    •   6 step inverter  – In Maxwell

    •   PWM current regulated  – Cosimulation

    Maxwell with Simplorer

    0

    0

    LPhaseA

    LPhaseB

    LPhaseC

    2.00694ohm

    RA

    2.00694ohm

    RB

    2.00694ohm

    RC

    0.000512893H*Kle

    LA

    0.000512893H*Kle

    LB

    0.000512893H*Kle

    LC

    LabelID=VIA

    LabelID=VIB

    LabelID=VIC

    +   -11VLabelID=V14

    +   -11VLabelID=V15

    +   -11VLabelID=V16

    +   -11VLabelID=V17

    +   -11VLabelID=V18

    +   -11VLabelID=V19

    100ohm

    R20

    100ohm

    R21

    100ohm

    R22

    100ohm

    R23

    100ohm

    R24

    100ohm

    R25

    LabelID=IVc1 LabelID=IVc2 LabelID=IVc3 LabelID=IVc4 LabelID=IVc5 LabelID=IVc6

    -

    + 110VLabelID=V32

    -

    + 110VLabelID=V33

    D34

    D35

    D36

    D37

    D38

    D39

    D40

    D41

    D42

    D43

    D44

    D45

    S_46

    S_47

    S_48

    S_49

    S_50

    S_51

    Model

    DModel1

    ModelV

    SModel1

    0

    IGBT3

    IGBT2D10

    D11

    D8

    IGBT1

    IGBT4

    IGBT5D7

    D12

    D9

    IGBT6

    SINE2SINE1   SINE3

    TRIANG1

    +   V 

    V M1  

    E1

    E2

    RphaseA

    RphaseB

    RphaseC

    +

    V_ROTB1

    PhaseA_in

    PhaseB_in

    PhaseC_in

    MotionSetup1_in

    PhaseA_out

    PhaseB_out

    PhaseC_out

    MotionSetup1_out

    20.00 22.50 25.00 27.50 30.00 32.50 35.00 37.50 40.00Time[ms]

    -1.10

    -1.00

    -0.38

    0.25

    0.88

    1.10

          Y      1

    Basic_Inverter1Sine Triangle   ANSOFT

    CurveInfo

    SINE1.VALTR

    SINE2.VALTR

    SINE3.VALTR

    TRIANG1.VALTR

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    9/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 20119

    Machine Model in Maxwell ‐ Simplorer

    20.00 22.50 25.00 27.50 30.00 32.50 35.00 37.50 40.00Time [ms]

    -20.00

    -15.00

    -10.00

    -5.00

    0.00

    5.00

    10.00

    15.00

    20.00

       Y   1   [   A   ]

    SAS IP, Inc. Basic_Inverter1Currents   ANSOFT

    Curve Info

    RphaseA.ITR

    RphaseB.ITR

    RphaseC.ITR

    20.00 22.50 25.00 27.50 30.00 32.50 35.00 37.50 40.00Time [ms]

    0.00

    2.50

    5.00

    7.50

    10.00

    12.50

    15.00

       F   E   A   1 .   T   O   R   Q   U   E

    SAS IP, Inc. Basic_Inverter1Torque   ANSOFT

    Curve Info

    FEA1.TORQUETR

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    10/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201110

    Force Calculations

    •  Force calculation using air gap flux density

    •  Maxwell Stress Tensor [9]

     –   Force calculation at a point on the stator.

     –   Force on a line in the airgap

     –   Force on a line co‐linear with the stator tooth

    This is

     common

     method

     in

     literature.

     

    •   Edge Force Density –   Default field quantity available in Maxwell

     –   Can be used for creating lumped force calculations on tooth tips

    •  Automatic Force mapping from Maxwell to 

    ANSYS 

    Mechanical. 

    (2D‐

    2D, 

    2D‐

    3D, 

    3D‐

    3D)

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    11/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201111

    Edge Force Density in Maxwell

    0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00Time [ms]

    -250.00

    -200.00

    -150.00

    -100.00

    -50.00

    -0.00

    50.00

       F  o  r  c  e   (   N  e  w   t  o  n  s   )

    02_DC-6step_IPMRadial Force on Tooth Tips   ANSOFT

    Curve Info

    ExprCache(ToothTipRadial_Full1)ExprCache(ToothTipRadial_2)

    ExprCache(ToothTipRadial_3)

    ExprCache(ToothTipRadial_4)

    ExprCache(ToothTipRadial_5)

    ExprCache(ToothTipRadial_6)

    0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00Time [ms]

    -30.00

    -25.00

    -20.00

    -15.00

    -10.00

    -5.00

    0.00

    5.00

    10.00

       F  o  r  c  e   (   N  e  w

       t  o  n  s   )

    02_DC-6step_IPMTangential Force on Tooth Tips   ANSOFT

    Curve Info

    ExprCache(ToothTipTangent_Full1)

    ExprCache(ToothTipTangent_2)

    ExprCache(ToothTipTangent_3)

    ExprCache(ToothTipTangent_4)

    ExprCache(ToothTipTangent_5)

    ExprCache(ToothTipTangent_6)

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    12/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201112

    Eccentricity Model

    Right Side 

    Tooth

    Left Side 

    Tooth

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    13/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201113

    Parametric Study of  Eccentricity 

    Electromagetic Force•   Rotor missaligned

    0%, 25%, 50%

    •   Solved 

    simultaneously on 

    multi‐core computer

    •   Shown: Radial Force 

    on Right Tooth Tip

    •   FFT of  Radial Force

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    14/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201114

    Edge Force Density, 50% Eccentricity

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    15/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201115

    50% Eccentricity: Radial and Tangential 

    Force 

    on 

    Right 

    Side 

    and 

    Left 

    Side 

    Tooth

    20.00 22.50 25.00 27.50 30.00 32.50 35.00 37.50 40.00Time [ms]

    -300.00

    -250.00

    -200.00

    -150.00

    -100.00

    -50.00

     0.00

       F  o  r  c  e   (   N   )

    Radial Tooth Tip Forces   ANSOFT

    Curve Info

    Radial Force Small Gap

    Radial Force Large Gap

    20.00 22.50 25.00 27.50 30.00 32.50 35.00 37.50 40.00Time [ms]

    -30.00

    -25.00

    -20.00

    -15.00

    -10.00

    -5.00

    0.00

    5.00

    10.00

    15.00

       F  o  r  c  e   (   N   )

    Tangential Tooth Tip Forces   ANSOFT

    Curve Info

    Tangential Force Small Gap

    Tangential Force Large Gap

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    16/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201116

    ANSYS Force

     Mapping

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    17/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201117

    •   Direct Force Mapping –   Electromagnetic forces from Maxwell to 

    Mechanical by linking systems in 

    Workbench

     –  Maps 2D Edge Force, and 3D Surface force

     –  Transient Analysis for Stress prediction

    •   Lumped Force Mapping –  Tooth Tip objects created for mapping 

    calculated lumped force using 

    ‘EdgeForceDensity’ in

     Maxwell.

     –   Apply these lumped forces manually 

    or through APDL Macro

     –   Further harmonic and Noise Analysis

    Two Approaches

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    18/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201118

     –

    Case 

    1: 

    0% 

    Eccentricity•   No misalignment

     – Case 2:  50 % Eccentricity

    •   Eccentricity amount is set to 

    50% of  gap width

    •   Creates unbalanced 

    electromagnetic forces

    Approach 1 ‐ Direct Force Mapping

    Scenario: Study the effect of  Rotor Eccentricity

    Peak Edge Force Density 1.5e6 N/m2

    Peak Edge Force Density 1.9e6 N/m2

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    19/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201119

    Thisimagecannotcurrently bedisplayed.

    Thisimagecannotcurrently bedisplayed.

    Directional Deformation Radial

    •   Case 1 0% Eccentricity

    •   Case 2 50 % Eccentricity

    Max Deformation vs time

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    20/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201120

    Von Misses Stress

    •   Case 1 0% Eccentricity

    •   Case 2 

    50 %

     Eccentricity

    Max Stresses vs time

    Thisimagecannotcurrently bedisplayed.

    Thisimagecannotcurrently bedisplayed.

    Thisimagecannotcurrently bedisplayed.

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    21/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201121

    Results: Comparison

    •  Total Deformation

     –   Deformation higher

     for

     eccentric model

    •  Peak Stresses

     –   Stator Stresses are non symmetric and higher for eccentric model where the air 

    gap is minimum

    Higher the amount of  eccentricity, higher is the variation of  

    electromagnetic forces, causing  deformation of  stator, 

    vibration and noise

    Stresses at time=12 ms

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    22/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201122

    Approach 2 Lumped Force Mapping 

    Electromagnetic Forces

    Lumped Forces in Time Domain

    Real/Imaginary Forces 

    In Frequency

     Domain

    Harmonic Response

    Extract Acoustic Pressures

    Export forces

    APDL in Workbench

    APDL in Workbench

    ANSYS

    Maxwell

    ANSYS 

    Mechanical

    ANSYS

    Acoustics

    Perform FFT in Maxwell

    Workbench 

    Flow Chart

     for

    Noise Prediction

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    23/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201123

    ANSYS Harmonic

     Analysis

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    24/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201124

    Modal Analysis: Get Resonant Frequencies

    Mode #1, 8502 Hz   Mode #2, 8708 HzMode #3, 8708 Hz

    Mode #4,

     9080

     Hz

    First 

    four 

    Natural 

    Frequency 

    and 

    corresponding mode shapes

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    25/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201125

    •   To make sure that a given design can withstand sinusoidal loads at different frequencies

    •   To detect resonant response and avoid it if  necessary (e.g. using 

    mechanical dampers,

     changing

     PWM

     frequency,

     etc.)

    •   To determine Acoustic response

    Boundary Conditions

    Input Forces

    Appling harmonic forces from 

    Maxwell into ANSYS Mechanical

    Why Harmonic Analysis

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    26/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201126

    Harmonic Response  – Bode plot

    Helps determine that 

    Max Amplitude (1.7mm)

    occurs at 8710 Hz on the 

    selected vertex

    Frequency response at a selected node location of  the model. 

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    27/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201127

    Amplitude distribution of  the displacements at a specific frequency, 

    Deformation plot at 8710 Hz

    Harmonic Response  – Contour plot

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    28/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201128

    ANSYS Acoustics

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    29/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201129

    Acoustics Capabilities in ANSYS

    •  Acoustics is the study of  the generation, propagation, absorption, and reflection of  sound pressure waves in an acoustic medium. 

    •  Acoustic problems can be identified as 

     – Vibro‐Acoustics:

     Sound

     generated

     structurally

     (ANSYS

     Mechanical)

     – Aero‐Acoustics : Sound generated aerodynamically (ANSYS CFD)

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    30/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201130

    Modeling Aero‐Acoustics (ANSYS CFD)

    •  Free‐Space Problem with no solid surfaces: – sound generated from turbulence,  jet noise

    • Free‐Space Problem with solid surfaces:

     – Fan noise, airframe noise, rotor noise, boundary layer noise, 

    cavity noise

    •   Interior problem:

    •   Duct noise,

     mufflers,

     ducted

     fan

     noise

    Sound pressure fluctuations

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    31/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201131

    Vibro‐Acoustics (ANSYS Mechanical)

    Computing the acoustic field radiated by a vibrating structure

    •   Structure modeled in ANSYS Mechanical where vibration patterns are calculated (Modal, Harmonic Analysis). Applied 

    loads are

     obtained

     from

     Maxwell.

    •   Vibration patterns used as boundary conditions to compute acoustic field radiated by structure (ANSYS MAPDL, ANSYS 

    Acoustic Structures)

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    32/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201132

    Acoustic Analysis  – Pressure Plot

    Thisimagecannotcurrently bedisplayed.

    Thisimagecannotcurrently bedisplayed.

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    33/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201133

    Acoustic Analysis  – Pressure Plot

    0.5 m

    Pres_1 Pres_2Pres_3

    Freq(Hz)

           P      r      e      s      s      u      r      e

            (       P      a        )

    Pressure vs Freq

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    34/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201134

    Summary

    •   Investigated different noise sources for electric machines

    •  Demonstrated an integrated approach from Electromagneticsto Structural to Acoustics.

    •  Showed the effects of  static eccentricity on stator tooth forces, deformation and stresses.

    •  Performed modal analysis to find the acoustic resonances

    Future Work:

    •   Investigation of  different noise scenarios (machine types, drives)

    •   Include more mechanical details (windings, housing, etc)

    •   Expand harmonic analysis to include higher frequency content of  forces

    •   Further investigation of  Aero‐acoustics with ANSYS CFD

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    35/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201135

    References

    [1] P. Vijayraghavan, R. Krishnan, “Noise in electric machines: A Review”, IEEE, 1998 

    [2] K. Shiohata,  R. Kusama, S.Ohtsu, T.Iwatsubo, “The Study on Electromagnetic Force Induced Vibration and Noise from a Normal and Eccentric Universal Motors”, PIERS Proceedings, 2011. 

    [3] S. Fink, S. Peters, “Ansoft ‐ Noise Prediction for Electrical Motors,” CADFEM/ANSYS Presentation, 2011. 

    [4] Wei Wang, Quanfeng Li, Zhihuan Song, Shenbo Yu, Jian Chen, Renyuan Tang, “Three‐Dimensional Field Calculation and Analysis of  Electromagnetic Vibration and Noise for Disk Permanent Magnet Synchronous Machines”, Shenyang University of  

    Technology, China. 

    [5] R. Belmans, D. Verdyck, W. Geysen, R. Findlay, “Electro‐Mechanical Analysis of  the Audible Noise of  an Inverter‐Fed Squirrel‐Cage Induction Motor”, IEEE, 2008. 

    [6] M. Anwar, I. Husain, “Design Perspectives of  a Low Acoustic Noise Switched Reluctance Machine”, IEEE, 2000. 

    [7] S. Huang, M. Aydin, T.A. Lipo,  “Electronmagnetic Vibration and Noise Assessment for Surface Mounted PM Machines,” IEEE, 2001. 

    [8] Rakib Islam, Iqbal Hussain, “Analytical Model for Predicting Noise and Vibration in Permanent Magnet Synchronous Motors,” IEEE 2009. 

    [9] Pragasen Pillay, William (Wei) Cai, “An Investigation into Vibration in Switched Reluctance Motors,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 35, NO. 3, May/June, 1999. 

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    36/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201136

    Thank You

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    37/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201137

    ANSYS Acoustics Structure

    ANSYS Acoustics Structures computes noise radiated by 

    vibrating 

    structures. 

    From Harmonic Vibrations to Noise Estimates.

    ANSYS Acoustics Structures integrates with your current simulation tools.

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    38/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201138

    Electromagnetic Force Coupling in Electric Machines 

    Including Stress, Deformation, and Acoustic Analysis.

    Understanding the impact of  electromagnetic forces on 

    noise generation for electric machines can include many 

    factors. This presentation will review these issues and 

    illustrate electromagnetic

     forces,

     stress,

     deformation,

     and

     

    acoustic coupling in ANSYS Workbench. An example 

    showing automatic mapping of  magnetic time‐domain 

    forces, and

     a comparison

     of 

     stresses

     for

     different

     rotor

     

    eccentricities will be shown.

    Title and Abstract

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    39/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201139

    1. Introduction

    2. Literature review  – what are the noise comonents for electric machines

    a. Noise Sources, examples

    b. Acoustic 

    Definition, 

    examples

    3. EM Motor Methodology

    a. RMxprt to Maxwell, Simplorer

    b. Force calculations

    c. Eccentricity Model

    4. Mechanical Analysis

    a. 2D (3D?) transient force mapping results

    b. Discussion of  FFT approaches (by inspection or 3rd party tools/scripts)

    c. 2D (3D?)

     harmonic

     Analysis

     

    5. Acoustic analysis

    a. General capabilities (acoustic elements, Actran coupling? )

    b. Results for stator lamination

    Presentation Outline (Goal 30 total Slides)

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    40/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201140

    Noise Sources

    •  Magnetic – The interaction of  magnetic fields and currents in the machine cause 

    electromagnetic torque and thus rotation of  the rotor. 

     – Evaluation of  the radial and tangential forces on the tooth tips are important.

    •   This can

     be

     accomplished

     through

     evaluation

     of 

     the

     air

     gap

     flux

     density,

     or

     using

     

    Force Density field calculations available within Maxwell. 

     – If  one of  the radial force frequencies coincides with the natural frequency of  the 

    machine, resonance occurs leading to acoustic noise. 

    •   Mixed 

    product 

    of  

    stator 

    and 

    rotor 

    winding 

    space 

    harmonics.•   Slot Harmonics

    •   Rotor Eccentricity:  improper rotor alignment causing unbalanced magnetic forces on the stator. 

     – Lamination vibration due to magnetorestrictive forces (worst when not stacked 

    properly)

    •  Electronic – Switching noise 

    •   Inverter PWM frequencies can be in audible range.

     – Current through the winding  – Lorentz forces

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    41/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201141

    •  Mechanical –   Self  resonance  – natural resonance frequencies

    •   Closed form equations

    •   FEA

     –   Load induced

    •   Coupling of  machine to load, and mounting.

     –   Auxiliaries

    •   Bearing Vibration

    •   Brush commutators

     –   Chattering

    •   Intra‐lamination 

    •   Function of  Bolt force

    •   Involves 3D

     Mechanical

     transient

     vibration

     analysis

     –   Manufacturing asymmetries of  the rotor and stator‐ nonuniform air gap

     –   Stator winding which are not installed properly

    •  Aero‐Dynamics

     – ANSYS CFD

    Noise Sources

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    42/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201142

    Machine Model in Maxwell

    •   VB script Fields Calculator to create Radial and 

    Tangential Force Expressions from 

    EdgeForceDensity

    •   VB script Calculates Radial and Tangential 

    Force on

     Tooth

     Tips

     

    •   Allows only force on edge that neighbors non 

    ferrous objects

    •   ‘Half’ teeth force components added together

    •   Add to Expression Cache

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    43/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201143

    Harmonic Analysis Overview

    A technique to determine the steady state response of  a structure to 

    sinusoidal (harmonic) loads of  known frequency.

    Input:•   Harmonic loads (forces, pressures, and imposed displacements) of  known 

    magnitude and frequency. (Obtained from Maxwell)

    •   May be multiple loads all at the same frequency. 

    Output:

    •   Harmonic displacements at each DOF, usually out of  phase with the applied loads.

    •   Other derived quantities, such as stresses and strains.

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    44/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201144

    ANSYS Acoustics

    •   Structural‐borne noise (one way Vibro‐Acoustics)

     – ANSYS Acoustics Structures (FFT’s ACTRAN Solver)

    •   Vibro‐Acoustics

     

     – ANSYS Mechanical (APDL Solver)

    •   Aero‐Acoustics

     – ANSYS 

    CFD•   Nonlinear fluid‐structure interaction

     – ANSYS CFD + ANSYS Mechanical

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    45/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201145

    Aero‐Acoustics ANSYS CFD Approaches

    •  Direct calculation: 

     – Resolve the acoustic pressure fluctuations as part of  the CFD 

    solution

    •  Couple CFD with specialized acoustics codes, Boundary Element Methods (BEM), Hybrid zonal methods 

     – Acoustic waves are not tracked with CDF solution

     – Calculate wave

     propagation

     using

     specialized

     codes

     (ACTRAN,

     

    SYSNOISE) 

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    46/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201146

    Aero‐Acoustic simulation of  Automotive 

    Front End

     Module

     cooling

     fans

     by using FLUENT’s Acoustic module Courtesy  of  Hyundai  MOBIS, Korea

    Geometry of  Cooling Fans

    Computational 

    domain

    Pressure Contours Flow Pathlines through 

    Sound pressure 

    fluctuations

    calculated at the 

    receiver position 

    S b f E l (ANSYS CFD)

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    47/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201147

    Subwoofer Example  (ANSYS CFD)

    (non‐linear

     fluid

     with

     structure)

    Fluid‐Structure Interaction Solution Transient Pressures

  • 8/17/2019 Electromagnetic Force Coupling Electric Machines

    48/48

    © 2011 ANSYS, Inc. October 24, 201148

    Scattered Acoustic 

    Radiation 

    Acoustic Energy 

    Source

    Target Object:

    Nested Cylindrical 

    Cans 

    Acoustic ‐ Structural Example ‐ Coupled

    FEA Model 

    quarter Symmetry 

    Hemispherical 

    Domain

    Animation of  Acoustic 

    Pressure (Pa)