Современное электродвигателестроение предъявляет всё более жёсткие требования к вибрации, шуму, надёжности и энергоэффективности. Для двигателей большой мощности эти параметры становятся критическими: превышение допустимых уровней вибрации на опорах подшипников или несоответствие акустическим нормативам может привести к дорогостоящим доработкам, повторным испытаниям и смещению сроков запуска продукции в серию.

В ответ на эти вызовы специалисты ГК «ПЛМ Урал» и инженеры компании АО «Силовые машины» реализовали совместный проект по комплексному виброакустическому анализу асинхронного электродвигателя большой мощности. Проект был выполнен с применением платформы ANSYS и сквозной междисциплинарной расчётной цепочки.

Цель проекта — перенести ключевые инженерные решения в цифровую среду и снизить проектные риски ещё до изготовления опытного образца.

От разрозненных расчётов — к единой цифровой методике

Одна из главных сложностей при анализе шума и вибраций электродвигателей заключается в многофакторности возбуждения. Электромагнитные силы, аэродинамический шум, механический дисбаланс ротора — все эти явления накладываются друг на друга и зачастую проявляются только на стадии натурных испытаний, когда доработка конструкции уже ограничена.

В рамках совместного проекта ПЛМ Урал и Силовых машин были поставлены задачи:

• оценить уровни вибрации и шума ещё до изготовления опытного образца;
• выявить доминирующие источники возбуждения и резонансные частоты;
• проверить соответствие требованиям действующих стандартов;
• разработать воспроизводимую расчётную методику для последующих проектов.

Для решения этих задач была выстроена сквозная междисциплинарная цифровая модель, объединяющая электромагнитный анализ, газодинамику, динамику конструкции и акустику.

Электромагнитный анализ: источник возбуждения в области зубцовой зоны

Магнитное поле

На первом этапе специалисты выполнили моделирование электромагнитных процессов в ANSYS Maxwell. Переходный 2D/3D-анализ позволил получить распределение сил Максвелла на зубьях статора и ротора и определить гармонические составляющие сил в радиальном и тангенциальном направлениях.

Для приближения модели к реальным условиям эксплуатации был учтён эксцентриситет ротора. Это позволило выявить несбалансированные гармонические силы, передающиеся на опоры подшипников.

Полученные нагрузки стали входными данными для последующего механического и виброакустического анализа.

Газодинамика: влияние вентиляции и турбулентных пульсаций

Спектральный анализ звукового давления

Следующим этапом стало CFD-моделирование системы охлаждения двигателя. Была построена детализированная 3D-модель каналов вентиляции и крыльчатки.

Нестационарный расчёт с применением гибридной модели турбулентности (SBES), сочетающей RANS и LES подходы, позволил определить:

• временные поля давления,
• спектры акустических возмущений,
• вклад турбулентного потока в общий уровень шума.

Гармонические компоненты давления были переданы в механическую и акустическую модели, что обеспечило корректный учёт аэродинамического воздействия.

Виброакустика: от модальных форм к уровню звукового давления

Модальный анализ

В рамках анализа виброакустики выполнялось исследование вклада полученных электромагнитных и газодинамических сил в общий уровень шума и вибрации по отдельности. В ANSYS Mechanical были выполнены следующие расчеты:

• модальный анализ,
• гармонический расчёт,
• акустическое моделирование.

Для оптимизации вычислений ротор был представлен в виде суперэлемента, сохраняющего его массу и жёсткость. Это позволило значительно снизить вычислительные затраты без потери точности.

В результате анализа виброакустики были определены:

• собственные частоты и формы колебаний конструкции;
• уровни вибрации на опорах подшипников;
• вклад сил различной природы в вибрацию конструкции;
• уровень звукового давления (SPL) в заданных точках измерения.

Дополнительно, был проведен анализ влияния сторонних факторов на точность определения уровня шума: проверена роль технологических допусков на толщину стенок корпуса, а также отражение звуковых волн от окружающих поверхностей. Было показано, что отклонения толщины до 20% способны заметно смещать собственные частоты, а отражающие поверхности существенно влияют на распределение шума вблизи корпуса.

Результаты: подтверждение модели и снижение проектных рисков

Слева — звуковое давление 1000Hz; справа — звуковое давление в октавных полосах

Сопоставление расчётных данных с результатами натурных испытаний, проведённых специалистами Силовых машин, показало хорошее совпадение по амплитудам вибраций и доминирующим частотам.

Ключевой результат проекта — создание подтверждённой, воспроизводимой методики междисциплинарного анализа, пригодной для масштабирования на другие типы электрических машин.

Такой подход позволяет:

• снижать технические и финансовые риски;
• сокращать объём доработок после испытаний;
• экономить сроки и бюджет проекта;
• повышать предсказуемость характеристик изделия ещё на этапе проектирования.

Совместная инженерная экспертиза как стратегический ресурс

Проект продемонстрировал, что интеграция отраслевого опыта Силовых машин и цифровой экспертизы ПЛМ Урал в области CAE-моделирования позволяет формировать полноценные цифровые модели электрических машин.

Для ПЛМ Урал подобные проекты становятся основой развития компетенций в области системной инженерии и подготовки инженерных команд заказчиков к самостоятельной работе с высокоуровневыми расчётными технологиями.

Для Силовых машин цифровое моделирование становится инструментом повышения конкурентоспособности продукции и снижения рисков на ранних стадиях разработки.

В условиях усложнения изделий и роста требований к качеству именно междисциплинарное цифровое моделирование становится ключом к устойчивому развитию машиностроения и энергетики.