永磁同步电动机振动和噪声抑制的研究

本文以一款存在较大振动和噪声的注塑机用永磁同步电机为例,利用解析法推导出径向电磁力产生原理和分、整数槽定子绕组的谐波次数,提出定子采用整数槽来减小电机径向电磁力,转子上挖孔和开槽来降低气隙磁密幅值,削弱齿槽转矩和转矩脉动,然后利用Ansys有限元分析软件对这两款电机的气隙磁密波形、定子磁场谐波含量、径向力波等进行对比分析,并制作了样机,通过样机噪声实验发现该方法可有效抑制永磁同步电机的振动和噪声,对改善电机性能具有一定的参考价值。     

分数槽集中绕组高效内置式永磁同步电机研究

采用高绕组系数的槽极配合方案,是高效永磁同步电机设计的重要技术方案。使用有限元软件仿真分析,针对分数槽集中绕组高效永磁同步电机进行研究,包括12槽8极、12槽10极星型绕组、12槽10极星-三角混合绕组。分析了影响电机效率的绕组系数、绕组磁动势谐波、转子涡流损耗要素,仿真计算电机效率,并实测电机效率,验证了12槽10极星-三角混合绕组电机效率提升明显。通过仿真计算定子模态来避免与低阶径向电磁力发生共振,并实测电机振动,得到12槽10极星-三角混合绕组电机振动变大的结果。综合对比电机效率和电机振动,为高效永磁电机的开发设计方案选择提供参考依据。     

非晶合金永磁电机负载损耗及效率特性分析

为了研究采用非晶合金材料代替硅钢片材料制作铁心后,永磁电机在负载运行时的损耗与效率的变化规律,研制了两台相同结构尺寸参数的非晶合金永磁电机和硅钢片永磁电机。利用实验方法测试了两台电机在相同运行工况下的损耗与效率特性,并借助有限元方法对两台电机不同负载率时的损耗进行了对比分析。结果显示,轻载时,非晶合金永磁电机定子铁心损耗低于硅钢片电机,效率优势明显;但随着负载率的增加,非晶合金电机定子铁心饱和严重,导致绕组磁动势波形畸变,由绕组磁动势谐波引起的损耗高于硅钢片电机,非晶合金电机效率优势随负载率的增加逐渐减小。     

永磁同步磁阻电机径向电磁力及振动抑制

永磁同步磁阻电机(PMSynRM)具有高凸极性,磁场谐波含量高,容易出现振动噪声大的问题。以一款36S6P永磁同步磁阻电机为例,仿真研究了负载条件下的径向电磁力,分析了引起电机径向振动的主要磁场谐波。提出通过合理设计磁障跨角削弱磁场谐波,进而减小径向力波幅值,有效抑制电机径向振动。通过有限元仿真与样机振动测试验证了该方法的有效性。     

不对称磁障对IPMSM电磁振动噪声的影响分析

针对目前一些采用不对称磁障法降低内置式永磁同步电机(IPMSM)转矩脉动的研究并未细致分析其对电机电磁振动噪声产生何种影响的问题,以一台37 kW IPMSM为研究对象,建立了原始电机和具有不对称磁障结构电机的电磁场有限元模型与振动噪声耦合模型,对比分析了不对称磁障结构对电机振动噪声的影响。从理论上分析了永磁电机径向电磁力波的阶次、频率特征,并利用有限元法与二维傅里叶分解法对得到的气隙处径向电磁力波进行分解。建立定子结构有限元模型,对其进行模态分析。在仿真平台搭建振动噪声耦合模型,仿真得到电机定子振动响应与电磁噪声。结果表明,采用不对称磁障的设计方法虽然能降低电机的转矩脉动并且不会牺牲电机输出转矩,但会产生其他倍频的电磁力,增加相对应频率点的振动响应,增大电机的振动噪声,设计时需综合考虑。     

磁通反向永磁电机低谐波设计及其电磁性能分析

磁通反向永磁电机永磁体和绕组均位于电机定子,具有转子结构简单、机械强度高和便于冷却等优势。它通常采用分数槽非重叠集中绕组,电枢反应磁场中往往含有大量谐波,进而导致电枢电流利用率低、铁心损耗高及振动与噪声等问题。提出一种低谐波磁通反向永磁电机,基于磁场调制原理对电机气隙磁密谐波进行分析,提出合理的绕组配置方案,实现电枢磁场无效谐波的抵消。基于有限元分析,对电机低谐波设计前后的电磁性能进行了对比分析。结果表明,该低谐波设计方案可以明显降低电机齿槽转矩、铁心损耗和永磁体涡流损耗,有效改善了电机性能。     

高速永磁无刷电机电磁损耗的研究概况(英文)

高速永磁无刷电机得到越来越多的关注,其电磁损耗及抑制措施就是一个研究热点。首先,由于基波频率高(可达到1 kHz以上),定子绕组的集肤效应和临近效应产生附加铜耗。附加铜耗可以通过采用细导线并绕的方法来抑制。其次,定子铁心中的磁场交变频率高,导致铁耗明显增加。为降低定子铁耗,需要设计较少的电机极数、远低于常规电机的定子铁心磁密,并采用低损耗的铁心材料。再次,由于定子磁动势的谐波频率及气隙磁场的变化频率都数倍于基波频率,在转子中产生涡流损耗,而这种涡流损耗在中、低速永磁无刷电机中往往是忽略不计的。为抑制转子涡流损耗,应减小定子磁动势的谐波分量,也可采取减小定子槽开口、加大气隙长度、对永磁体进行轴向分块、采用转子导电屏蔽层、对转子保护套周向开槽等措施。此外,适当的控制策略(如永磁无刷直流电机超前触发、永磁同步电机弱磁控制)也有助于减小电磁损耗。     

考虑磁致伸缩效应的永磁同步电机磁-机械耦合模型

在永磁同步电机振动噪声的计算过程中,需考虑磁致伸缩效应的影响。建立了考虑磁致伸缩效应的定子铁心磁-机耦合模型,解析计算了电磁力密度及磁致伸缩力密度。数值计算了定子振动位移、振动速度和声压分布。所得结果与定子铁心在电磁力单独作用下的振动噪声响应进行了对比。在考虑磁致伸缩效应时,定子齿径向力密度幅值比电磁力单独作用时增加了13. 1%,定子铁心的变形量比电磁力单独作用时变形量增加了13. 4%,声压级也明显增加。对比表明,磁致伸缩效应对于电机振动噪声有重要贡献。在低噪声永磁同步电机的研发设计阶段,不能忽略磁致伸缩效应的影响。     

转子结构对低谐波星–三角绕组永磁电机性能影响研究

分数槽永磁电机内部存在大量谐波磁动势,此类磁动势相对于转子异步运行,造成分数槽永磁电机的损耗增加、性能下降。针对这一难题,通过对定子绕组的优化,设计了一套星–三角(Y-Δ)绕组接法以消除高幅值低次谐波。继而基于有限元方法,针对定子侧采用双层、四层Y-Δ接法,转子侧采用表贴式、径向式、切向式、“V”形4种结构的10极12槽分数槽永磁电机进行研究。比较不同拓扑结构对分数槽电机的空载反电动势、齿槽转矩、弱磁性能、过载性能和效率等电机性能的影响。分析结果表明,当永磁电机定子侧采用四层Y-Δ接法、转子侧为切向式拓扑结构时,不仅可以减少永磁体使用量、节约电机的制造成本,还可以提高电机性能,为分数槽永磁电机的拓扑结构提供了一种新的选择。     

内置式永磁同步电机不同转子拓扑结构的电磁性能及电磁振动噪声分析

为了研究转子拓扑结构对内置式永磁同步电机(IPMSM)电磁性能以及电磁振动噪声的影响，以8极48槽永磁同步电机为例，根据设计指标，分别建立单层和双层永磁体两种内置式转子的永磁同步电机有限元模型，两个模型在定子、绕组、永磁体用量及轴向长度上完全一致。首先，从磁路结构的角度分析交直轴电感的区别，并分别对电机的交直轴电感参数、转矩波动、空载反电势及其谐波含量和输出外特性进行有限元分析比较。其次，根据麦克斯韦张量法推导出径向电磁力密度的解析表达式，并分别将两台电机的气隙磁密和径向电磁力密度及经过傅里叶分解后的谐波含量进行分析比较。最后，建立电机的三维有限元模型，计算定子铁心和定子组件径向模态的振型及固有频率，并对两台电机的电磁振动噪声特性进行仿真分析比较。结果表明，对于内置式永磁同步电机，在永磁体用量相同的情况下，双层永磁体比单层永磁体的转子结构具有更加良好的电磁特性及电磁振动噪声表现。     

低噪声屏蔽电机定子屏蔽套激振力和受迫振动分析

三相屏蔽电机是屏蔽电泵专属特种电机,该电机的性能优劣对系统振动噪声有很大影响。屏蔽电机气隙内的旋转磁场在定子屏蔽套中感应出涡流,除产生屏蔽套涡流损耗外,该涡流还将与气隙合成磁场相互作用形成径向和切向高频电磁激振力。考虑到定子屏蔽套是薄壁件,与定子齿冠间存在一定的安装间隙,所以在电磁激振力下定子屏蔽套将产生电磁振动和噪声。首先从解析的角度推导得到了径向和切向电磁激振力的数学表达式,进而采用有限元法计算定子屏蔽套典型位置点磁通密度时间谐波和圆周方向上磁通密度空间谐波分布规律及谐波含量,得到了不同屏蔽套材质时的涡流电流密度分布。计算了定子屏蔽套采用哈氏合金时的电磁激振力变化曲线,并与解析计算结果进行了横向对比,验证了解析计算的正确性。最后,计算分析定子屏蔽套的工作模态和在电磁激振力作用下的机械形变,为后续屏蔽电机的减振降噪提供理论依据。     

Effect of the stator slot opening on the electromagnetic vibration in a squirrel-cage induction motor

Field harmonics produce a radial electromagnetic force in a squirrel-cage induction motor with a particular number of rotor slots corresponding to the number of poles. The radial force causes vibration and acoustic noise. In this paper, a simplified equation for the radial force at no-load is introduced, and the relation between the width of the stator slot opening and the radial force is discussed quantitatively. The field harmonic component produced by the interaction between the fundamental magnetomotive force due to the stator current and the pulsation of air-gap permeance dominates for the radial force. Furthermore, the vibration of the stator core due to the radial force is calculated under a simple assumption. The calculated results are verified by experiments.     

基于定转子开窗的混合励磁双定子BSRM振动抑制

无轴承开关磁阻电机（BSRM）由于容错性高、损耗小、效率高等优点在工业领域已得到广泛应用,但电机运行时振动会限制其在某些领域的应用。以混合励磁双定子BSRM为研究对象引入一种在定转子齿部开窗的方法,通过改变外定子或转子铁心磁阻大小,可以减小气隙中的磁密大小,达到减小电磁振动的目的。采用电磁有限元法与正交试验法优化窗口的位置和尺寸,验证转子开窗对外定子径向力和转矩的影响,最后通过模态叠加法验证转子开窗对振动响应的影响。结果表明,该方法对混合励磁双定子BSRM电磁振动有较好的抑制效果但对电机转矩有一定影响。     

定子齿顶偏心对压缩机用IPMSM振动噪音的影响

采用分数槽集中绕组的内置式永磁同步电机(IPMSM)变频驱动的压缩机,其振动噪声有增长的趋势且存在许多新的特征。为此,本文基于定子绕组电动势和电流的谐波,建立径向和切向电磁力的等效表达式,用以分析该种电机振动噪音的产生机理;提出用定子齿顶偏心结构来抑制绕组电动势谐波,从而抑制振动噪声;用有限元法计算了该结构多个方案的电磁振动噪声,并进行了样机制作和实验,表明定子齿顶偏心可有效降低分数槽集中绕组IPMSM变频驱动压缩机某些关键频段的噪音。     

鼠笼异步电动机电磁噪声的仿真分析

依据鼠笼异步电动机电磁噪声产生的机理,该文从电磁力、机械振动和声辐射特性三个方面进行仿真得到电磁噪声。利用电压作为输入的场路耦合时步有限元模型计算电流、磁场和径向电磁力,并分析径向电磁力的谐波;基于机械有限元模型研究定子振动模态以及在电磁力激励下的振动响应;利用声学边界元模型计算电动机的辐射声场。试验测量结果验证了电磁噪声仿真计算的有效性。基于该文电磁噪声仿真方法可在设计阶段对电磁噪声进行定量预估,有助于低噪声电动机的设计研发。     

基于转子辅助槽的PMSM电磁振动噪声削弱方法研究

电机气隙中的径向电磁力作用于定子齿部,通过定子、机座传递到空气中,产生了振动噪声。针对实际工程中噪声突出问题,解析径向电磁力得到产生振动噪声的主要阶次和频率,分析电机的定子模态得到不同空间阶次下的频率。考虑电机转子凸极,提出一种转子开辅助槽配合增加气隙宽度的方法改善电机的声振特性。通过搭建优化前后的电机有限元模型,在加速工况下对比6f1和12f1频率（f1为基波频率）的电磁力,以及24阶次和48阶次下的A计权声压级,验证所提方法的有效性。最后在实际样机上测试加速工况下24阶次和48阶次的振动水平和声压级。试验结果表明,所提转子开辅助槽配合改变气隙宽度的方法能够有效降低电机整体的振动噪声。     

笼型异步电动机径向电磁力波的有限元计算

建立笼型异步电动机的场路耦合时步有限元模型,通过定子相电流仿真波形和实测波形的谐波比较验证有效性。基于该模型计算气隙磁通密度,进而利用经典的Maxwell应力张量法计算径向电磁力。气隙磁通密度和径向电磁力均随空间和时间变化,利用二维傅里叶分析分别求解它们的谐波;并探讨齿槽和转差率对磁通密度和径向电磁力的影响,以及磁通密度波和径向电磁力波之间的关系。将径向电磁力波和实测电磁噪声频谱进行了分析和对比,结果表明径向电磁力波的计算是合理有效的。利用本文方法计算的径向电磁力及其谐波可应用于在设计阶段对电磁噪声的分析。     

响点与响度

根据交流变频电机调速的特点,运用基本的电磁力产生定子铁心振动的观点,提出了只有控制响点和参考响度两方面,才能有效地控制电机电磁噪声的论点。编制了变频电机电磁噪声的计算程序,通过算例进一步阐明论点。     

超高速永磁同步电机振动噪声分析

超高速永磁同步电机（PMSM）具有转速高、径向力波阶数低等特点,但定子易共振引发较大噪声。以1台超高速PMSM为例,依据电机实际尺寸,建立了电机电磁场模型和定子结构的3D模态模型。采用有限元法对该电机的径向电磁力进行仿真,分析了引起电机振动的主要电磁力谐波次数,确认了电机电磁噪声的主要来源。最后,通过ANSYS声场的声压级云图研究了超高速PMSM的电磁噪声特性。