降低無刷直流電機電磁噪聲的方法

柳 文，趙乾麟

（浙江乾麟縫制設(shè)備有限公司，浙江 麗水 323000）

0 引言

隨著無刷直流電機技術(shù)的廣泛推廣和應(yīng)用，人們越來越關(guān)注電機的運行性能和應(yīng)用舒適度，對電機的噪聲提出了較為嚴格的要求，希望盡可能降低電機噪聲，提供更加優(yōu)質(zhì)的動力源。無刷電機的噪聲來源分為兩大類，一類是機械噪聲，一類是電磁噪聲。降低機械噪聲的主要方法是提高加工精度，減小端蓋和軸的形位公差，改善軸承的配合間隙等等，這方面機械行業(yè)已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，不是本文的敘述重點。電磁噪聲的來源又可分為兩種，一是齒槽轉(zhuǎn)矩帶來的噪聲，一是換相過程中電流波動帶來的噪聲[1]。本文針對經(jīng)濟型集中繞組無刷電機，提出了這兩種噪聲的解決方法。

1 改變極槽配合數(shù)降低齒槽轉(zhuǎn)矩

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機的特有現(xiàn)象，也是噪聲的重要來源。從能量觀點看，齒槽轉(zhuǎn)矩是電機不通電時的磁能W 相對于轉(zhuǎn)子位置θ 的變化率。忽略鐵心磁阻，齒槽轉(zhuǎn)矩表達式為[1]：

式中：α—定子圓周坐標；θ—定轉(zhuǎn)子間的相對位置角；dG（α）—氣隙磁導(dǎo)微元；F（α,θ）—等效磁動勢。將式（1）按傅里葉展開，經(jīng)推導(dǎo)簡化，得到齒槽轉(zhuǎn)矩各次諧波的表達式為[2]：

式中，μ、v—諧波次數(shù)；Gμa、Gμb分別為氣隙磁導(dǎo)μ 次諧波的余弦和正弦項；Fva、Fvb分別為F 項v 次諧波的余弦和正弦項。式（2）可簡化為：

設(shè)氣隙磁導(dǎo)的周期為γG，[F（α,θ）]2項的周期為γF，則諧波次數(shù)分別為：

根據(jù)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩的條件u=v 可得：

設(shè)極對數(shù)為p，定子槽數(shù)為Z，則有：

經(jīng)上面的變換可知，理想條件下齒槽轉(zhuǎn)矩的諧波次數(shù)是轉(zhuǎn)子極數(shù)2p 和定子槽數(shù)Z 的公倍數(shù)，其最小公倍數(shù)就是齒槽轉(zhuǎn)矩的基波次數(shù)。由于基波次數(shù)越高齒槽轉(zhuǎn)矩越小，如果改變極槽數(shù)目，提高其最小公倍數(shù)，就會明顯降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

比如，4 極6 槽集中繞組無刷直流電機的齒槽轉(zhuǎn)矩的基波次數(shù)為12，倘若改成8 極9 槽，則基波次數(shù)增加到72，齒槽轉(zhuǎn)矩會明顯降低。下面用有限元法進行驗證。

在電磁場有限元分析軟件中建模，得到6/4 結(jié)構(gòu)和9/8 結(jié)構(gòu)無刷電機的磁力線分布如圖1 和圖2 所示。

圖1 6/4 結(jié)構(gòu)無刷電機的磁力線分布Fig.1 Magnetic line distribution of the 6/4 constructed brushless DC motor

圖2 9/8 結(jié)構(gòu)無刷電機的磁力線分布Fig.2 Magnetic line distribution of the 9/8 constructed brushless DC motor

這兩種電機的轉(zhuǎn)子外徑和定子槽內(nèi)徑相同，所用的磁鋼材料和厚度也相同。經(jīng)過有限元分析，得到它們的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖3（a）、（b）所示。

由圖3 可見，6/4 結(jié)構(gòu)電機的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值約為100毫牛米，而9/8 結(jié)構(gòu)的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值約為4 毫牛米，后者比前者降低了96%左右。所以若把6 槽4 極電機改為9 槽8 極結(jié)構(gòu)，齒槽轉(zhuǎn)矩會大幅度降低，噪聲也就會隨之降低。

圖3 6/4 結(jié)構(gòu)和9/8 結(jié)構(gòu)無刷電機的齒槽轉(zhuǎn)矩Fig.3 The cogging torque of the 6/4 and 9/8 constructed brushless DC motors

2 改變極弧系數(shù)降低齒槽轉(zhuǎn)矩

對于小型電機來說，體積小，對生產(chǎn)成本要求很嚴，倘若分成過多的極數(shù)和槽數(shù)往往給生產(chǎn)帶來不利影響，所以很多經(jīng)濟型的小型電機多采用6/4 結(jié)構(gòu)，不便采用9/8 結(jié)構(gòu)。在這種前提下要降低齒槽轉(zhuǎn)矩，還可通過加大極弧角的方法達到目的。理論上講，如果極弧系數(shù)為1，也就是極弧充滿整個定子槽，這時的齒槽轉(zhuǎn)矩會降到零，但是這樣的電機無法嵌線。這個問題可以通過嵌線之后在相鄰兩個定子極之間增加導(dǎo)磁的軟磁性槽楔來解決，這樣能夠大幅度降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

還以上面的6/4 結(jié)構(gòu)電機為例，增加了軟磁性槽楔之后的磁力線分布如圖4 所示。

經(jīng)有限元分析，有槽楔情況下的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖5 所示。

圖4 增加了軟磁性槽楔的6/4 結(jié)構(gòu)無刷電機磁力線分布Fig.4 Magnetic line distribution of the 6/4 constructed brushless DC motor which added slot wedges

圖5 中齒槽轉(zhuǎn)矩的峰值為10 毫牛米，而圖3（a）未加槽楔之前齒槽轉(zhuǎn)矩峰值為100 毫牛米，相比之下齒槽轉(zhuǎn)矩降低了大約90%，效果是很明顯的。

圖5 增加了軟磁性槽楔的6/4 結(jié)構(gòu)無刷電機齒槽轉(zhuǎn)矩Fig.5 The cogging torque of the 6/4 constructed brushless DC motor which added slot wedges

這種方法帶來的弊端是，槽楔會導(dǎo)致極間漏磁增加，從而削弱了鏈過繞組的磁場強度。有限元分析表明，增加槽楔會使得極柱中的磁通密度略微減小，從2.4T 左右降到2.2T 左右，降低了大約8%，降低得并不多。這可以通過適當(dāng)增加繞組匝數(shù)恢復(fù)到原有的磁鏈。

3 試驗測量結(jié)果

筆者設(shè)計了按摩椅用的24V、60W 小型無刷電機，對其進行了試驗測量。電機采用6 槽4 極結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)速為1500 轉(zhuǎn)的時候，測得電機噪聲為70 分貝左右，這樣高的噪聲無法在按摩椅上使用。增加了軟磁性槽楔之后，在相同控制器和轉(zhuǎn)速條件下，噪聲降到了45 分貝左右，得到大幅度減小，使之滿足了按摩椅等對動力源噪聲要求比較嚴格的場合。

4 結(jié)論

本文提出了通過改變極槽配合數(shù)和增加軟磁性槽楔來減小齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，并通過有限元分析對這兩種方法進行了驗證，結(jié)果表明齒槽轉(zhuǎn)矩可以被削弱90%以上。結(jié)合工程項目，對6 槽4 極結(jié)構(gòu)的無刷電機進行了測試，結(jié)果表明增加軟磁性槽楔之后，電機噪聲從70分貝降到45 分貝左右，降低了大約25 分貝，取得了比較明顯的降噪效果。

[1] Lu Yongping，Li Yong.Tooth-slot cogging torque and noise analysis of permanent magnet motors [C].The fifth International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS 2001)，Shenyang ，China，2001.

[2] 程樹康，宮海龍，柴鳳，等.永磁輪轂電機齒槽轉(zhuǎn)矩研究[J].中國電機工程學(xué)報，2009，30.