風機用永磁同步電動機振動和噪聲的分析

楊國龍，黃開勝，肖慶優，賴文海，蔡黎明，鄭景東

(1.廣東工業大學，廣州510006;2.廣東電網有限責任公司湛江供電局，湛江524000)

0 引 言

目前來看，關于三相永磁同步電機的噪聲和振動深入的研究并不多，但是永磁同步電機的噪聲和振動在一些特定場合卻要求較高，如高檔家用電器、電動汽車、醫療器械等。在日常生活中的所要用到的家用電器，比如電腦、電磁爐和微波爐等，這些電器都需要用到風機，因此，降低風機用永磁同步電動機振動和噪聲是很有必要的。永磁同步電動機產生的噪聲和振動主要包括:空氣動力噪聲、電磁噪聲和振動以及機械噪聲和振動，其中電動機的內部電磁力是造成永磁同步電動機的電磁噪聲和振動主要因素，因其電磁轉矩既會使電動機產生旋轉運動也會使其定、轉子發生形變，使電動機出現噪聲及振動;機械振動和噪聲主要是由軸承或電刷等機械摩擦引起的;空氣動力噪聲產生的噪聲很小，一般可以忽略。所以永磁同步電機的噪聲和振動主要由電磁振動和噪聲引起的［1］。

永磁同步電動機是一種新型的高效特種電動機，然而前人對其振動和噪聲特性的研究還不夠完整。文獻［2］闡述分數槽不平衡磁拉力的產生的原因及對電機振動和噪聲的影響。文獻［3］分析10極12 槽永磁同步電機影響其電磁振動和噪聲的因素，有永磁體不同極弧系數組合、氣隙長度、永磁體厚度。文獻［4］通過分析永磁同步電動機在采用不同的槽極配合情況下對其振動與噪聲的影響。

本文以一款風機用12 槽10 極永磁同步電動機存在較大振動和噪聲為例，根據定、轉子諧波相互作用產生的電磁力波原理，提出采用24 槽8 極的極槽配合，將原來的分數槽變為整數槽，不對稱磁路變為對稱磁路，減少氣隙磁場的諧波分量，進而減少低階徑向力波。利用Maxwell 有限元分析軟件對這兩種槽極配合的電動機進行仿真驗證，經過徑向力波分析，結果表明:采用24 槽8 極的電動機確實能減少諧波含量并且使低階力波均為0。因此，若要降低風機用永磁同步電動機的振動和噪聲，可以通過將該款電動機的槽極配合改為24 槽8 極來實現。

1 永磁同步電動機徑向力波分析原理

永磁同步電動機的電磁振動和噪聲是造成其噪聲和振動的主要因素，而永磁同步電動機電磁振動噪聲的激振力可由氣隙磁導及定、轉子繞組的磁勢確定［5］，因此，可以通過對定轉子磁場來分析永磁同步電動機的徑向電磁力所造成的影響。

1.1 分析永磁同步電動機的磁動勢及磁場諧波

基于麥克斯韋定律得出永磁同步電動機單位面積氣隙的徑向電磁力瞬時值，可由下式表示:

式中:μ0，b(θ，t)分別為空氣磁導率及氣隙磁密值。

若對鐵心磁阻的影響忽略不計，則電動機內部的氣隙磁密值，可由下式表示:

式中:λ(θ，t)為氣隙比磁導;f(θ，t)為氣隙磁動勢。

若永磁同步電動機的定子上有齒槽，而且轉子結構為表貼式，則氣隙比磁導可由下式近似表示:

式中:λl1，Λ0分別為定子開槽導致諧波比磁導周期分量，單位面積氣隙磁導中恒定部分。

若永磁同步電動機以正弦波方式供電，則可由定子磁場基波磁動勢、永磁體磁場諧波磁動勢以及定子磁場諧波磁動勢構成其定轉子的磁動勢，因此:

式中:ν 為定子磁場諧波極對數;μ 為轉子磁場諧波極對數;ω0為定子磁場基波電流頻率;f0(θ，t)為定子磁場基波磁動勢;∑νFν(θ，t)為定子磁場諧波磁動勢;∑μFμ(θ，t)為永磁體磁場諧波磁動勢。

將式(3)、式(4)代入式(2)，并忽略不計周期分量λl1的影響得出:

把式(5)代入式(1)得:

可以忽略不計式(6)中第二部分振動階數高的徑向電磁力波，故電動機振動和噪聲主要是由剩下的定子基波和定轉子的各次諧波相互作用產生的低次力波而引起的。

1.2 計算永磁同步電動機的定子磁場諧波

(1)關于分數槽的永磁同步電動機定子氣隙磁場的諧波極對數分析

表1 為12 槽10 極永磁同電動機定子繞組的連接順序表，圖1 為該電動機槽電勢星形相量圖。

表1 電樞繞組的連接(m=3，z=12，2p=10)

從圖1 可以看出，3 相12 槽10 極永磁同步電動機的定子磁場中僅含有奇次極對數諧波，諧波的極對數:ν=1，5，7，11，13，17，19，…。

各次諧波的分數計算如下:

圖1 電樞繞組的星形相量圖

(2)關于整數槽的永磁同步電動機定子氣隙磁場的諧波極對數分析

對于每極每相槽數為整數的永磁同步電動機，該電動機的定子磁場中僅含有奇數次諧波，其諧波的極對數:

式中:k=0，±1，±2，±3，…;p 為永磁同步電動機的極對數;m 是相數。

2 永磁同步電動機氣隙磁場有限元分析

當永磁同步電動機在額定負載情況下，在額定負載時的定子磁場和空載時的永磁體磁場相互疊加形成電動機的氣隙磁場，基于Maxwell 2D 分別建立12 槽10 極、24 槽8 極兩款永磁同步電動機有限元模型，如圖2 所示。

圖2 電動機二維有限元模型

對電動機的振動和噪聲進行分析時，通常電動機的基波是指波長等同于電樞周長2pτ 中的2 極波。在傳統分析中，通常電動機的極對數為p 的基波等于2pτ/(2τ)=p 次諧波，而現稱為電動機的基波即文中電動機的基波為p 次波，因此，基波除外的各次諧波的次數可按p 倍相應地增加。

2.1 額定負載時定子磁場的諧波分析

根據已經建立的有限元模型，重新設置磁鋼材料，將其設為空氣，同時在定子繞組中加載額定電流，利用有限元分析軟件，首先得到僅電樞電流作用時整個電動機的磁力線分布圖，如圖3 所示，然后再通過軟件獲得在t =0.002s時定子磁場的氣隙磁密波形，如圖4 所示，進而對其進行傅里葉分解，如圖5 所示，最后得出這兩款電動機的諧波次數及幅值表，如表2 所示。

圖3 定子磁場磁力線圖

表2 定子磁場的諧波次數及幅值表

通過有限元分析軟件對定子磁場進行諧波分析，在兩種電動機的電樞繞組加載額定負載時，整數槽繞組的基波磁密大于分數槽的基波磁密，整數槽的諧波次數也明顯小于分數槽的諧波次數，對改善電機的振動及噪聲有一定的幫助。

2.2 空載永磁體諧波磁場(轉子磁場)分析

根據已經建立的有限元模型，將定子繞組電流設為零，得到這兩款電動機在靜態磁場時轉子磁場的氣隙磁密波形及其傅立葉分解，如圖6、圖7 所示，進而得到這兩款電動機諧波次數及幅值表，如表3 所示。

圖4 t=0.002 s 時定子磁場波形圖

圖5 定子磁場傅里葉分解圖

表3 轉子空載磁場諧波次數及幅值

圖6 12 槽10 極轉子磁場波形及傅里葉分解圖

圖7 24 槽8 極轉子磁場波形及傅里葉分解圖

因為徑向力波的幅值正比于氣隙磁密的幅值，若氣隙磁場的諧波次數保持不變，要減小徑向電磁力波的幅值就可以通過降低磁場的正弦畸變率即降低諧波磁場的幅值。由表3 可知，除12 槽10 極的轉子磁場中諧波極對數55(11 次諧波)的幅值較大和24 槽8 極的轉子磁場中諧波極對數68(17 次諧波)的幅值較大外，其他次數諧波幅值較小。

3 不同槽極配合電動機的徑向力波分析

通常引起電動機定子鐵心產生不對稱的彎曲變形量既與電磁力波次數四次方成反比，又正比于電磁力波幅值，故其電磁振動和噪聲是由幅值相對較大的低次數電磁力波所產生的［6］，因此降低永磁電動機的電磁振動和噪聲可以考慮通過提高電磁力波的次數從而避免出現4 次以下的電磁力波來實現。由于分數槽繞組電動機的定子、轉子磁場中分布的諧波要比整數槽繞組電動機更密，使4 次以下的徑向力波更容易形成，從而導致更大的振動和噪聲。表4 為12 槽10 極徑向力波次數表，表5 為24 槽8極徑向力波次數表。

從表4、表5 中可以得出，12 槽10 極電動機中存在大量的2、4 次力波，24 槽8 極電動機的低階力波均為0。由于在分析電動機振動和噪聲時，可以忽略不計0 階力波對電動機定子鐵心造成的彎曲變形以及4 階以上力波的影響，故在理論上采用24 槽8 極的槽極配合能夠有效減少風機用永磁同步電動機振動和噪聲。

表4 12 槽10 極徑向力波次數表

表5 24 槽8 極徑向力波次數表

4 結 語

本文為了降低永磁同步電動機的振動和噪聲，以一款風機用的12 槽10 極永磁同步電動機存在較大振動和噪聲為例，由永磁同步電動機徑向力波分析原理得出，采用整數槽的電動機，其氣隙磁場含諧波分量較少，因此，提出將該款電動機的槽極配合改為24 槽8 極。首先利用ANSYS/Maxwell 軟件對這兩種槽極配合的電動機分別進行建模、仿真，得到這兩款電動機的空載永磁體磁場和額定負載時定子電樞磁場氣隙磁密波形和其傅里葉分解圖，并由此得出其諧波次數及幅值，最后進行徑向力波分析，經過對比可得，24 槽8 極的電動機能減少諧波分量并使低階力波均為0。本文為降低風機用永磁同步電動機的振動和噪聲在理論上提供了較高的參考價值。

［1］ 楊浩東. 永磁同步電機電磁振動分析［D］. 杭州:浙江大學，2011.

［2］ 李志明.分數槽繞組永磁同步電機的理論與設計［D］. 天津:天津大學，2012.

［3］ 李俊武.小功率永磁同步電動機電磁振動與噪聲研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2009.

［4］ 宋志環，韓雪巖，陳麗香，等.不同極槽配合永磁同步電動機振動噪聲分析［J］.微電機，2007，40(12):11 -14.

［5］ 王秀和.永磁電機［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［6］ 梁文毅.表貼式調速永磁同步電動機徑向磁拉力分析［J］.微特電機，2011，39(5):27 -30.