气隙偏心下永磁风力发电机定子电磁振动特性分析

永磁风力发电机定转子偏心会造成发电机气隙分布不均匀而产生磁场不平衡,使发电机振动加剧,严重时甚至引发转子扫膛,使发电机损坏失效。以某兆瓦级永磁风力发电机为研究对象,理论分析了气隙偏心对发电机气隙磁密和径向电磁力的影响,对于不同气隙偏心量下的风力发电机瞬态电磁场开展有限元分析,获得气隙磁密和径向电磁力分布特性变化规律,进而开展径向电磁力作用下定子谐响应分析,以掌握气隙偏心引起的定子振动响应特性。结果表明：随着气隙偏心量的增加,气隙最小处气隙磁密幅值增大,径向电磁力新增边带分量;发电机定子振动响应中工作频率的倍频幅值也随之增大,其中二阶径向模态响应幅值最大。所得结果可为发电机气隙监测方法研究提供一定的理论依据。     

Analysis of airgap flux, current, and vibration signals as afunction of the combination of static and dynamic airgap eccentricity in3-phase induction motors

This paper provides new information for the online diagnosis of airgap eccentricity in 3-phase induction motors. A new theoretical analysis of the interaction between harmonic field components due to static and dynamic rotor eccentricity which previous research has not considered is put forward, The resultant nonsupply-frequency current components produced in the supply current which are highlighted by the analysis are found to exist experimentally and indeed shown to be a function of the combined effect of both dynamic and static eccentricity. Further vibration analysis is put forward to identify which particular form of rotor eccentricity is dominant; hence illustrating how faults can be identified in a motor using condition monitoring techniques     

大型抽水蓄能电机低频电磁力分析计算

随着机组容量的增加,低频振动问题越来越受到关注。到目前为止,国内投运的数十台大容量水电机组都不同程度地存在着低频振动问题,有些机组的振动甚至超过标准的规定限值。针对这一问题,本文对低频振动的机理进行分析,探讨低频电磁力产生的原因、研究其计算方法,并以抽水蓄能电机为例,计算分析低频电磁力及其影响因素。结果表明:低频电磁力的大小随气隙偏差、不圆度、气隙磁密增加而增大,随气隙长度增加而减小。虽然在制造和安装的过程中无法消除这些因素,但可以通过提高转子加工和安装精度,最大限度地减小电磁力和降低低频电磁振动,以保证振动幅值小于标准要求而使机组能长期安全可靠运行。     

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。     

同步调相机极限工况下典型磁场不对称故障安全风险

同步调相机典型磁场不对称故障下,由强励所形成的不平衡力和跳机风险升高。首先,分析转子动偏心和转子绕组匝间短路等典型故障对调相机磁场的影响机理;然后,借助气隙磁导法推导得到转子承受的不平衡磁拉力表达式,分析强励对不平衡电磁力的影响规律;最后,在一台大型同步电机上进行有限元电磁暂态仿真,模拟动偏心和转子绕组匝间短路故障,分别在调相正常励磁和强励工况下提取了转子所受不平衡电磁力,评估机组在强励状态下发生跳机的可能性。结果表明,强励状态下,调相机组由动偏心故障产生的不平衡磁拉力不会引起机组的剧烈振动,而转子匝间短路故障产生了较大的不平衡磁拉力,可能导致机组跳机。     

实心圆柱式永磁同步电机转子偏心气隙磁场的空间和频率特性

针对两极平行充磁实心圆柱式永磁同步电机(SCPMSM),分析转子偏心对气隙磁场空间和频率特性的影响。通过引入转子静态偏心和动态偏心磁导修正系数,建立了转子偏心气隙磁场的数学模型,分析了空载和负载情形下转子静态偏心以及动态偏心气隙磁场的空间和频率特性。以1台2极12槽SCPMSM为例,对转子偏心气隙磁场特性进行了有限元分析,验证了理论分析的正确性。     

基于场路耦合的永磁电机高频径向电磁力波分析

振动和噪声的大小是衡量家用变频空调压缩机品质的指标之一。针对家用变频空调压缩机出现的高频噪声问题,以一台6极9槽家用空调压缩机用永磁同步电机及其控制系统为研究对象,基于场路耦合法,对常规空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术及其控制策略所引入的谐波电流成分与高频声振响应特性进行研究。首先通过解析法分析了永磁电机高频噪声源的产生机理。其次从原理上阐述了电流谐波对径向电磁力波的阶次特征与频率特性的影响。然后建立了永磁电机的场路耦合模型,详细分析了不同负载工况下高频径向电磁力波频率与开关频率的关系。最后采用声振特性试验进行了验证,结果表明：场路耦合模型可以考虑电机本体、控制策略以及开关频率等非线性因素引起的高频电流谐波影响,并得出了高频径向电磁力波频率与载波频率的关系式,为永磁电机的高频噪声预测以及减振降噪提供了参考。     

电机故障特征提取方法二则

本文论述了故障特征提取方法在故障诊断中的地位。提出了基于最优原理的噪声抵消法,介绍了该法在电机故障诊断中的应用实例。本文还介绍了用模式分类方法来处理异步电动机机壳的振动频谱,使判断电动机转子有无偏心的问题变成了一个“两类问题”,从而可以用计算机进行判别。     

水轮发电机转子系统碰摩弯扭耦合振动分析

机电耦联振荡诱发的水轮发电机转子、定子碰摩现象,会加剧转子系统的弯扭耦合振动,进而诱发机组系统严重的安全事故。建立水轮发电机转子系统定、转子碰摩运动微分方程,利用数值积分方法,研究了电磁刚度、转子质量偏心、阻尼及定子径向刚度等对转子系统非线性动力特性的影响。结果表明,弯曲和扭转电磁刚度对弯曲和扭转振动存在相互耦合激发放大作用,但随着偏心的增加,电磁刚度的影响程度减弱;质量偏心较大时弯扭耦合作用强烈,弯曲或扭转阻尼比的影响作用较大;定子径向刚度增大导致径向碰摩力增大,弯振幅值略有降低,扭振幅值增加,振动频率成分复杂。所得结论可为转子系统的设计、运行、振动控制预测及诊断提供参考。     

切向电磁力对电动车动力总成振动噪声的影响分析

为了研究电动车的高频电磁噪声问题,以电动车动力总成为研究对象,综合考虑电机电磁径向电磁力波和切向电磁力波,建立了动力总成有限元分析模型,采用一种弱磁-固耦合的方法对动力总成的电磁振动噪声特性进行分析,研究切向电磁力对系统振动噪声特性的影响。在半消声室中,对动力总成进行振动加速度及辐射噪声测试,以验证仿真分析方法的准确性。研究结果表明,电机与减速器集成后,切向电磁力对电机振动噪声影响不大,但对减速器产生了不可忽略的影响,在2 000 Hz和2 400 Hz处,切向电磁力在减速器表面产生了明显的振动,并且对减速器表面2 000 Hz~2 400 Hz范围内的声场贡献较大。研究结果对电机的电磁参数和结构进行改进和优化设计,为降低电机的电磁振动提供理论依据和试验支持。     

Analysis of the Audible Noise of Three-Phase Squirrel-Cage Induction Motors Supplied by Inverters

One of the major problems in inverter-fed motors is the high level of audible noise produced by harmonic current and voltage components. To analyze these phenomena the field in the machine airgap is calculated using the rotating field theory together with the Maxwell stress theorem. This analysis yields a way for predicting the spectrum components produced by the motor and for relating it to the airgap flux density distribution time harmonics caused by the nonsinusoidal supply. The theoretical approach is used for calculating the airgap flux density distribution and the frequency spectrum components of a small three-phase squirrel-cage induction motor fed by a six-step voltage source inverter (VSI) and by a pulsewidth-modulated (PWM) inverter. The theoretical results are compared with experiments.     

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。     

汽轮发电机气隙偏心故障下的定子受力分析

本文对汽轮发电机气隙偏心故障前后的定子受力进行了理论分析、有限元仿真计算和力学响应验证。首先对气隙偏心故障前后的定子单位面积磁拉力进行了理论分析,得到了磁拉力的主要频率成分和激励特性;然后在电机有限元软件Ansoft中建立了正常及气隙偏心故障的汽轮发电机求解模型,计算得到了正常及故障下定子单位面积磁拉力的时域波形及频谱图;最后,将实验室SDF-9型故障模拟发电机上测取的气隙偏心故障下定子振动响应与磁拉力理论解析公式、有限元仿真数据进行了对比,结果基本一致。分析表明:正常情况及气隙偏心故障下发电机定子主要承受直流力和二倍频磁拉力,气隙偏心故障将使定子直流力与二倍频磁拉力均增大,偏心程度越大,幅值增长越明显,对应地,定子二倍频振动越剧烈。     

车用永磁同步电机的电磁噪声分析与抑制

电机模态的准确分析是实现电机低噪声驱动设计的重要环节。当电机模态频率与对应阶次径向电磁力波频率接近时,会产生共振。以一台6极36槽的70 kW商务车主驱动永磁同步电机(PMSM)为研究对象,对比分析转子开辅助槽和针对一阶齿谐波的转子分段斜极方法对电磁力波的影响。采用转子开辅助槽和转子分段斜极的优化方法后,0阶12倍频径向电磁力波幅值可减小79%。建立电机三维有限元模态仿真模型,分析电机结构部件对模态的影响,结合常用车载驱动电机的安装固定方式对外壳进行约束,分析不同约束方式下电机的模态特性。结果表明,在峰值功率8 000 r/min的工况下,优化设计方案下的0阶12倍频的径向电磁力波幅值较大,但由于频率为4 800 Hz,远离电机模态的固有频率,因此不会发生共振,降低了电磁噪声。     

气隙偏心对车用永磁同步电机噪声特性的影响分析

新能源汽车领域竞争的加剧,对驱动电机噪声、振动与声振粗糙度(NVH)性能提出了更高的要求。其中气隙偏心可能导致车用电机出现振动和噪声问题。本文以一台额定功率35 kW的车用永磁同步电机为研究对象,采用解析和有限元仿真相结合的方法分别分析转子动偏心和转子静偏心对车用电机电磁力特性的影响。并建立了电机结构的有限元模态仿真模型,准确分析车用电机的工作模态。在声学仿真分析基础之上,分析了不同程度的动偏心率和静偏心率对汽车电机两个关键工作点电磁噪声频谱特性的影响。最后,通过半消音室内的电机噪声测试试验验证理论分析的正确性。     

扫频电流下不同电流频率对GIS电磁分布特性的影响

气体绝缘开关设备是电力系统中重要的设备之一,在电力传输中承担着至关重要的作用,对电力系统安全、稳定运行具有重要意义。利用电力设备扫频特性对其机械故障进行检测的方法受到了广泛的关注,但目前缺少对于GIS在扫频电流作用下磁场以及电磁力分布的研究。为了解决上述问题,本文建立了某型110kV三相共体式GIS母线筒的有限元模型,仿真研究了不同电流频率下GIS磁场及电磁力分布特征。研究结果表明：随着电流频率的变化,GIS内部磁场分布规律、GIS外壳和导电杆所受电磁力分布规律均不会改变。但是GIS内部磁场大小以及外壳所受电磁力大小会随着电流频率的变化而变化。本文为研究GIS扫频振动特性奠定了基础,对利用GIS扫频特性对其机械故障进行检测具有重要意义。#$NL关键词：气体绝缘开关设备;有限元模型;磁场分布;电磁力分布#$NL中图分类号：TM411+.1     

基于多物理场耦合的特高压并联电抗器振动噪声仿真分析与实验研究

为全面研究特高压并联电抗器振动噪声特性及预测大小,考虑电抗器振动噪声产生机理,建立了基于多物理场耦合的电磁-结构-噪声全过程仿真电抗器模型。基于场-路耦合的电磁学理论,采用虚位移原理计算了电抗器电磁力;基于电磁-结构耦合的动力学理论,以电磁力为载荷,求取电抗器振动特性与振动速度;基于结构-噪声耦合的声学理论,以电抗器振动速度为载荷,分析了电抗器噪声分布;通过实验验证了模型的准确性。研究结果表明:油箱表面振动信号可反映电抗器内部运行状态,送电瞬间电抗器从暂态过渡到稳态需1.5个电流周期,电抗器振动以100 Hz为主振频率,噪声集中于100 Hz为中心频率的1/3倍频带,最大噪声为83.2 dB。分析研究结果为电抗器的减振降噪提供了理论支持。     

偏心条件下轴向磁通轮毂电机不平衡弯矩建模与分析

为了分析静态偏心和动态偏心对轴向磁通轮毂电机的影响,首先建立了未偏心时轴向磁通电机气隙磁场的准3D解析模型,该模型分别通过复数相对气隙磁导和径向修正函数考虑了开槽和边缘效应对气隙磁场的影响;然后通过分析静态偏心和动态偏心时气隙长度随时间和空间的变化,建立了偏心条件下轴向磁通电机的气隙磁场解析模型,有限元结果表明该模型可以准确预测偏心条件下任意位置的气隙磁通密度;最后根据该模型分析了偏心对轴向电机气隙磁场和电磁力的影响,提出了计算不平衡弯矩的方法。结果表明:不同于径向电机,偏心除了产生不平衡磁拉力,还会使轴向磁通电机产生与旋转方向正交的弯矩,该弯矩有导致偏心进一步加剧的趋势。     

Investigation of electromagnetic force components in SRM under single and multiphase excitation

This paper presents the results of an investigation of components of the electromagnetic force in the air gap of an 8/6 switched reluctance machine (SRM). Using a Maxwell stress method, variations of radial and tangential force components due to saliency of the machine and saturation have been studied. Access to distribution of the force components acting on the rotor and stator enables us to provide a more accurate picture of the torque generation and vibration in this family of electric machines. Furthermore, distribution of magnetic forces under multiphase excitation has been studied in detail. Our findings show that bipolar excitation of SRM phases, resulting in a short flux path magnetic circuit, favors its efficiency and power quality while generating higher torque with less pulsation. This is a significant improvement, particularly for automotive applications where the difference in the required number of power electronics components can be justified. An experimental 2-kW 42-V 8/6 SRM drive which has been designed and manufactured in our energy system laboratory was targeted for this study. In addition to our extensive finite-element analysis, experimental results have been provided to prove theoretical claims.     

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。