Evaluation of acoustic noise and mode frequencies with design variations of switched reluctance machines

The stator mode frequency, as well as the intensity of acoustic noise generated by magnetic radial force, is related to the geometry, configuration, and material properties of the switched reluctance machine (SRM). Two different four-phase 8/6 SRMs with similar specifications, torque-speed requirements, and envelope dimensions have been designed and built for experiments related to noise intensity and stator mode frequencies. One of these two SRMs, labeled as low-noise SRM is designed following the low-noise design guidelines. The other one, labeled as conventional SRM is designed following the conventional design methodology. The mode frequencies and noise pressure levels for both the SRMs have been calculated using the analytical models. Acoustic-noise data collected from a test bench are analyzed to correlate the experimental and theoretical results.     

开关磁阻电机的定子振动模态分析

大的振动和噪声阻碍了开关磁阻电机的推广应用.由于定子的径向振动是开关磁阻电机噪声的主要根源,因此定子振动系统的模态分析是降噪研究的有效手段.该文利用三维有限元法模态分析,通过比较、分析开关磁阻电机定子振动系统的固有频率在不同绕组安装工艺和散热筋结构条件下的变化,得出了加固绕组和采用周向散热筋结构有利于降低开关磁阻电机噪声水平的结论.通过比较一台实验样机的模态分析计算结果和实测结果,证实了模态分析计算的有效性.     

矩形与面包形磁钢永磁同步电机噪声对比分析

为了对比分析矩形磁钢和面包形磁钢永磁同步电机运行时产生的0阶振动噪声,从理论上对电机的径向电磁力波进行推导,对力波的的磁密来源进行了分析,讨论了两种不同磁钢形状的永磁同步电机的0阶振动噪声。基于Workbench仿真平台,对这两种不同磁钢形状的36槽24极永磁同步电机进行仿真分析,得到两种电机的0阶6倍频力波的组成和0阶径向电磁力波的傅里叶分析结果;对电机定子的结构分别进行有限元建模和解析计算,得出电机结构的固有模态;通过解析计算的方法,得到电机定子表面的0阶电磁力振动位移频谱图;最后,通过计算电机的声辐射效率,对电机外部声场进行快速建模,计算出电机0阶电磁力声功率级频谱图。研究表明:面包形磁钢永磁同步电机的振动噪声要远小于矩形磁钢永磁同步电机的振动噪声。     

Impact of stator windings and end-bells on resonant frequencies and mode shapes of switched reluctance motors

One of the main drawbacks of switched reluctance motors (SRMs) is vibration and acoustic noise, which limits their application. An accurate predication of the modal vibration frequencies of the SRM stator is essential in order to design a low-vibration motor and operate it quietly. Electronic techniques for noise reduction also depend on knowledge of the resonant frequencies, which depend on the mechanical structure surrounding the laminations. This paper examines the effects of the stator windings and end-bells on stator modal vibration frequencies. The error in the calculation of the resonant frequencies can be up to 20% if the influence of end-bells is neglected. The numerical computations of the stator mode shapes and resonant frequencies are validated with experimental results.     

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。     

考虑电流谐波的永磁同步电机电磁振动和噪声半解析模型

提出了一种永磁同步电机快速半解析计算模型,可以分析常见的电流谐波对振动和噪声的影响,并提高了计算效率。首先通过解析和有限元相结合的方法计算了永磁体磁通密度和气隙比磁导,并建立了考虑任意电流波形的电枢磁通密度的解析模型,通过麦克斯韦应力张量方程计算径向电磁力,与有限元计算的电磁力吻合较好。其次通过二维傅里叶变换得到了特定空间阶数电磁力的频率成分,并基于壳体振动和声辐射模型分别计算了定子表面振动和噪声,计算结果能够反映实测振动噪声的主要峰值和分布。最后分析了电流谐波引起的振动噪声的阶次特征和峰值变化。该文提出的半解析模型为在设计阶段考虑电机的振动和噪声提出了一种有效分析方法。     

车用永磁同步电机的电磁噪声特性

电动汽车牵引用永磁同步电机要求具有低速大转矩和高速恒功率的运行能力,低速大转矩运行工作点的大电流和高速弱磁导致的磁场畸变可能会导致作用于电机结构的电磁力幅值增大,容易引发较大的电磁振动噪声,从而影响电动汽车的NVH性能。本文基于Ansys多物理场有限元分析平台,研究一台20k W车用永磁同步电机的电磁噪声特性。分别建立电机的电磁场有限元模型和定子结构的3D模态有限元模型,通过仿真得出作用于电机定子齿部的电磁激振力和电机结构的低阶径向模态频率;从电磁力和电机结构两方面分析可能引发较大电磁噪声的主要来源。通过对电机定子结构的振动响应有限元仿真,得到电机定子结构的振动响应频谱;最后通过声场的有限元仿真分析车用永磁同步电机的电磁噪声特性。     

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。     

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。     

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。     

散热片数对湿式潜水感应电机噪声影响分析

针对感应电机运行中的噪声问题,通过对一台160 kW潜水感应电机进行多物理场耦合有限元计算,结合解析法对径向电磁力的阶次和频率进行探究,分析了电机气隙中径向电磁力波的时空特性,并通过声学仿真进行了噪声的相关计算。考虑径向电磁力的二维傅里叶分解得到的结果和机壳模型模态的阶次与频率,分析说明了噪声的来源,提出可通过如调整电机机壳散热片数等方式改变电机模态在阶次与频率上的分布或降低机壳振动系数实现噪声控制的目的。     

基于物理模型开关磁阻电机定子模态和固有频率的研究

准确计算定子模态和固有频率是降低电机噪声和振动的基础。该文基于开关磁阻电机(SR电机)物理模型，利用3维有限元软件，全面研究了定子模态和固有频率，系统分析了绕组、端盖和安装对定子模态和固有频率的影响。研究表明，对小功率SR电机，2阶模态对噪声和振动的贡献最大。定子绕组对固有频率的影响非常严重，弹性模数远低于实心铜材，绕组不宜采用质量计入磁极或铁心的方式处理。端盖、底脚安装均导致定子固有频率明显升高。最后讨论了2维有限元模型与3维有限元模型计算结果的差异。计算结果与试验结果进行了比较验证。     

Prediction of electromagnetic forces and vibrations in SRMs operating at steady-state and transient speeds

Although some research has been conducted on vibrations in switched reluctance motors (SRMs), the response during transients, which may occur during sudden load changes or braking, has not received much investigation. In this paper, a simulation model to predict the transient vibration of SRMs is developed. The vibration prediction model is built based on the detailed normal force versus phase current and rotor position lookup table using finite-element calculations. The model is then verified by a running motor test, which shows acceptable accuracy. The results reveal that there are abundant harmonics of transient force during transients and, thus, resonance may be excited. This model allows the possibility of improved design of SRMs from a vibration and acoustic noise point of view.     

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.     

对降低开关磁阻电动机振动和噪声的两步换相法频域分析

针对开关磁阻电动机运行的振动和噪声问题,基于频域分析方法,研究了电压PWM运行方式下,采用两步换相法降低开关磁阻电动机振动和噪声的机理。仿真结果表明,采用两步换相可以减小电流和径向力的波动;在电机出力相同的情况下,可以减小电机的振动和噪声;在平均径向力相同的情况下,可以提高电机的出力;适当地微调控制参数减小某些频率点的电流幅值,可避免与定子固有频率谐振,减小振动和噪声。     

Hybrid stepping motor vibration

This article presents a simple method to calculate the stator surface vibration of a unipolar four-phase hybrid stepping motor. The approximate radial magnetic force per pole is calculated by using a permeance model and its equivalent magnetic circuit. Based on the calculated radial magnetic forces and the measured stator mobility values, the radial vibration spectrum on top of a stator pole is estimated. The results have shown that there is a reasonable agreement between the calculated and measured radial vibration levels. This verifies the analytical approach which, due to the special structure and excitation of the motor, is significantly different from the technique commonly employed for vibration study for induction machines     

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。     

绕组连接方式对开关磁阻电机振动影响的研究

开关磁阻电机（SRM）具有结构简单坚固、控制灵活简便等优点,但较大的振动和噪声在一定程度上制约了其在各行业的广泛应用。SR电机的绕组连接方式不仅会对电机的电磁性能带来影响,也会影响电机振动噪声的大小。径向力是引起开关磁阻电机电磁噪声的主要原因。本文针对四相8/6开关磁阻电机,分析NNNNSSSS、NSNSSNSN这两种常用绕组连接方式下磁链和径向力差异;并以径向力为激励建立SR电机振动的有限元模型,研究不同绕组连接方式对振动响应的影响。通过实验进行验证得到结论:当SR电机运行在磁路饱和工作状态下,采用NNNNSSSS定子极性排布的连接方式更有利于减小电机运行时的振动。     

高速异步电主轴电机的电磁噪声分析

采用有限元法分析了高速异步电主轴电机定子结构的动力学特性(振型、固有频率),分别采用解析法和有限元法分析了电机在额定转速60 000 r/min下空载和负载的电磁力波,利用傅里叶变换对径向气隙磁密和径向电磁力波进行了谐波分析,得到了不同阶次不同频率下的谐波幅值。还将得到的电磁力波加载到电机定子相应节点处,对高速异步电主轴电机进行了电磁振动和声场分析,并计算出电机在空载和负载情况下产生的电磁噪声。     

考虑磁致伸缩效应的电机应力数值仿真与实验

电机振动噪声的来源之一是电机定子铁心硅钢片的磁致伸缩效应。首先建立电磁-机械耦合数值模型,并在有限元分析软件中进行计算,研究磁致伸缩力单独作用与电磁力单独作用对电机定子硅钢片的影响。数值仿真结果表明:电机定子结构中磁致伸缩力为主要应力来源,定子铁心硅钢片中低频振动频率为供电频率的1倍频率与2倍频率。根据仿真思路设计实验,取出电机转子以保证主磁路通过电机定子,通过振动测量设备采集电机定子表面的振动信号进行分析,对仿真结果进行证明。计算理论与实验方法对分析磁致伸缩效应对电机定子振动噪声的影响具有重要的指导意义,对电机低噪声化的研究具有一定的学术意义和参考价值。