永磁同步電動機電磁振動噪聲的分析與研究

黃信，譚耿銳，杜曉斌

(廣東工業大學自動化學院，廣東廣州510006)

永磁同步電動機電磁振動噪聲的分析與研究

黃信，譚耿銳，杜曉斌

(廣東工業大學自動化學院，廣東廣州510006)

簡要地分析了徑向電磁力的產生原理，基于力學理論可以得到振動幅值與徑向電磁力，振動頻率和力波次數的關系。利用Maxwell 2D有限元分析軟件分別仿真計算了兩臺12槽10極和24槽8極永磁同步電動機的電樞磁場和永磁體磁場。通過徑向力波分析研究永磁同步電動機的電磁振動噪聲，結果表明，12槽10極永磁同步電動機包含大量次數低于4次的徑向力波，24槽8極永磁同步電動機的徑向力波次數均為0，顯然整數槽電動機比分數槽電動機更有利于降低電機的電磁振動噪聲。此方法能夠為降低永磁同步電動機的電磁振動噪聲提供理論依據。

永磁同步電動機；電磁振動；電磁噪聲；徑向電磁力；力波次數

0 引言

噪聲對于人體的健康危害非常大，研究表明，強烈的噪聲長期對人體的影響會使人體的整個機體都會受到損害[1]。隨著人們對生活質量的要求和環保意識不斷提高, 噪聲分析與控制已成為各領域不可忽視的問題。

電機的振動和噪聲主要分為三類:電磁振動和噪聲、機械振動和噪聲以及空氣動力和噪聲，而電磁振動和噪聲是主要方面，它主要是由電機徑向電磁力引起的。目前國內外研究電機振動噪聲主要集中于異步電機和同步電機[2]。但是關于永磁同步電動機電磁振動和噪聲的研究還不夠完善。文獻[3]對8極24槽、36槽、48槽3臺永磁同步電動機進行徑向力波分析，發現整數槽電動機可以更有效地減小電動機的徑向電磁力。

本文基于徑向電磁力的原理，利用Maxwell 2D有限元分析軟件分別仿真計算了12槽10極和24槽8極永磁同步電動機的電樞磁場和永磁體磁場，通過傅里葉分解求得磁場各次諧波及幅值，進行徑向力波分析。分析結果表明，12槽10極永磁同步電動機包含大量次數低于4次的力波，24槽8極永磁同步電動機的力波次數均為0。顯然整數槽電動機比分數槽電動機更有利于降低電機的振動與噪聲。

1 永磁同步電動機徑向電磁力分析原理

引起感應電動機電磁噪聲的電磁力大小可由定、轉子繞組磁勢和氣隙磁導決定。對于永磁電動機，電磁力大小則是由定子、永磁體磁勢和氣隙磁導決定。磁勢諧波建立的諧波磁場會使電機定子鐵心受到交變的磁拉力，從而產生振動與噪聲。因此可以通過分析定子、永磁體磁場來研究永磁同步電動機的電磁振動噪聲。

1.1 永磁同步電動機的磁動勢及磁場諧波分析

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，可由式(1)表示

(1)

式中,μ0,b(θ,t)—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，得

b(θ,t)=f(θ,t)λ(θ,t)

(2)

式中，λ(θ,t)—氣隙比磁導f(θ,t)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，則氣隙比磁導得

λ(θ,t)=Λ0+∑λ11

(3)

式中，λ11、Λ0—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

(4)

將式(3)與式(4)帶入式(2)并忽略不計λl1影響有

(5)

將式(5)帶入式(1)有

(6)

式(6)中定子諧波產生的力波、轉子諧波產生的力波次數高,可以忽略掉。而定子基波和轉子諧波作用產生的低次力波,會使鐵心彎曲變形時相鄰兩節點間的距離增大,變形也增大,所引起的振動和噪聲也增大。因此,該部分是徑向電磁力的主要部分,對于電機振動和噪聲的影響不可忽略。

2 永磁同步電動機電樞磁場諧波分析

2.1 整數槽永磁同步電動機

對于每極每相槽數為整數的永磁同步電動機，其電樞磁場諧波只含有奇數次諧波，即v=(2mk+1)p，m為永磁同步電動機的相數，本文取值為3，p為永磁同步電動機的極對數。

2.2 分數槽永磁同步電動機

設有12槽10極永磁同步電動機，則有d=5為奇數，定子繞組諧波磁場的諧波次數為v=(6k+1)t,t=1,式中k=0,±1;±2;±3，即諧波極對數為1、-5、7、-11、13……

3 永磁同步電動機氣隙磁場有限元分析

當電動機額定運行時，電動機的氣隙磁場可以看作是由負載電樞磁場和空載永磁體磁場疊加構成的。基于Maxwell2D有限元分析軟件分別建立12槽10極，24槽8極永磁同步電動機二維模型，如圖1所示。兩臺永磁同步電動機的額定功率、轉速、額定電流。

圖1 永磁同步電動機二維模型

3.1 永磁同步電動機電樞磁場分析

在Maxwell2D模型中，將永磁體材料設置為真空，給電樞繞組施加額定電流，這樣就可以得到僅電樞電流作用時電動機的氣隙磁密波形圖，如圖2所示。再通過傅里葉分解可得到各磁場諧波極對數的柱狀圖如圖3所示以及各諧波幅值如表1所示。

圖2 永磁同步電動機電樞磁場波形

圖3 永磁同步電動機電樞磁場諧波柱狀圖

表1 電樞磁場各諧波次數及幅值

從圖3以及表1中可以看到，分數槽電動機的諧波分布比整數槽電動機密，況且還有分數次的諧波，更容易引起電動機的振動與噪聲。此外，分數槽電動機受齒槽的影響更大。

3.2 永磁同步電動機永磁體磁場分析

在Maxwell2D模型中，將電樞繞組電流設置為零，可以得到永磁體磁場如圖4所示，通過傅里葉分解可得到各磁場諧波極對數的柱狀圖如圖5所示，各諧波幅值如表2所示。

圖4 永磁同步電動機永磁體磁場波形

圖5 永磁同步電動機永磁體磁場諧波柱狀圖

表2 永磁體磁場各諧波次數及幅值

4 徑向力波分析

根據力學理論可得，力波引起定子鐵心的振動幅值與振動頻率，徑向電磁力和力波次數的關系可近似為

(7)

式中，力波次數是定子鐵心的固有頻率。

從式(7)中可以得到，振動幅值與成反比關系，如果值較大則振動幅值與成反比。由此可見，力波次數對振動幅值影響極大，會引起電動機較大的電磁噪聲。同樣大小的電磁力，如果力波次數值變大則振動幅值會顯著減小，電動機的電磁振動噪聲則會進一步降低。表3是12槽10極永磁同步電動機徑向力波次數表，表4是24槽8極永磁同步電動機徑向力波次數表。

表3 12槽10極徑向力波次數表

表4 24槽8極徑向力波次數表

在分析電動機振動與噪聲時，由式(7)中可見4階以上力波次數對振動幅值的影響不大，可以不予考慮的。從表3中可以看出12槽10極永磁同步電動機存在大量的2次和4次力波，從而會引起較大的電動機振動與噪聲。24槽8極永磁同步電動機的力波次數均為0，0階力波不會使定子鐵心產生不對稱的彎曲變形，有利于降低電動機的振動與噪聲。

由圖3、表3、表4可得，對電機振動與噪聲影響較大的是由齒槽引起的齒諧波，可以通過定子斜槽或者轉子斜極來削弱。此外還可以通過磁極偏移，極弧系數，不等厚永磁磁極等方法來削弱永磁電動機的齒槽轉矩，進一步來降低永磁電動機的振動與噪聲。

5 結語

本文從理論上分析了電機徑向電磁力的產生原理，振動幅值與電磁力，振動頻率和力波次數的關系。利用Maxwell2D有限元分析軟件分別仿真計算了12槽10極和24槽8極永磁同步電動機的電樞磁場和永磁體磁場，通過傅里葉分解得到磁場的各次諧波及幅值，進行徑向力波分析。分析結果表明，分數槽電動機包含更多的諧波含量和大量次數低于4次的力波，整數槽電動機比分數槽電動機更有利于降低電機的振動與噪聲。本文的分析方法對永磁同步電動機電磁振動噪聲的研究具有一定的參考價值。

[1] 陳繹勤.噪聲與振動的控制[M].北京:中國鐵道出版社,1981.

[2] 楊浩東.永磁同步電機電磁振動分析[D].杭州:浙江大學,2011.

[3] 劉景輝,黃開勝,陳治宇,等.永磁同步電動機徑向電磁力的分析[J].微特電機,2013,41(5):16-18.

[4] 陳世坤.電機設計[M].北京:機械工業出版社,2000.

[5] 許實章.交流電機的繞組理論[M].北京:機械工業出版社,1985.

Analysis and Research of Electromagnetic Vibration and Noise of Permanent Magnet Synchronous Motors

HuangXin,TanGengrui,andDuXiaobin

(School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

Principle of radial electromagnetic force was briefly analyzed. by Based on mechanics theory, the relationships between vibration amplitude and radial electromagnetic force as well as vibration frequency and numbers of force wave can be obtained. Finite-element analysis software of Maxwell 2D was applied to respectively simulate and calculate magnetic fields of armature and permanent magnets of a PMSMs with 12 slots, 10 poles and a PMSMs with 24 slots, 8 poles. The electromagnetic vibration and noise of PMSM was analyzed by radial force wave. The result shows that the numbers of many radial force waves of PMSM with 12 slots, 10 poles are less than 4, while the number of radial force wave of PMSM with 24 slots, 8 poles is zero. Obviously, electromagnetic vibration and noise of PMSM with integer slot would be more effectively reduced than that with fractional slot. This method can provide theoretical basis for reduction of electromagnetic vibration and noise of PMSM.

PMSM；electromagnetic vibration；electromagnetic noise；radial electromagnetic force；number of force wave

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.01

TM301.4+3

A

1008-7281(2017)03-0001-005

黃信 男 1992年生；廣東工業大學碩士研究生，研究方向為特種電機及其控制.

2016-12-23