基于永磁電機(jī)的振動檢測分析研究

高志遠(yuǎn)，楊 斌，黃永程，王凌浩

（廣東理工學(xué)院 工業(yè)自動化系，廣東 肇慶526100）

0 前言

隨著我國的經(jīng)濟(jì)科技的迅速發(fā)展，使得工業(yè)、冶金等行業(yè)增加了對永磁電機(jī)的需要，使得永磁電機(jī)在結(jié)構(gòu)和功能不斷的改進(jìn)和優(yōu)化[1]。由于永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行安全可靠、體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，逐步被永磁電機(jī)淘汰。現(xiàn)如今永磁電機(jī)以多變形狀和靈活的尺寸為優(yōu)點(diǎn)，使得其在航空航天、軍事國防、工業(yè)制造生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[2]。

由于現(xiàn)代工業(yè)的需求，對永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)逐漸向性價比高、體積小等方向發(fā)展，這些都會增加永磁電機(jī)的電、磁負(fù)荷；而如果要想使永磁電機(jī)的體積小、質(zhì)量輕，就要采用較好的材料，使用永磁電機(jī)的磁通密度相對較高材料，但這就會導(dǎo)致磁飽和和冷卻等問題，這些問題都會導(dǎo)致永磁電機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重的振動[3]。本文基于永磁電機(jī)的振動檢測分析，對其進(jìn)行振動的仿真分析，從而優(yōu)化永磁電機(jī)的整體性能。

1 永磁電動機(jī)振動產(chǎn)生的機(jī)理

永磁電動機(jī)的電磁振動主要是由定子齒內(nèi)表面上的徑向電磁力的原因產(chǎn)生的[5]。在一定理想情況下，永磁電機(jī)的定子被簡化成為帶兩個端蓋的圓柱型外殼，m階徑向電磁力產(chǎn)生的振動位移為：

其中，M為圓柱殼的質(zhì)量（kg）；ωm為m階固有角頻率（rad/s）；ωr為 r次電磁力角頻率（rad/s）；ζr為模態(tài)阻尼比；Fm為徑向電磁力（N）。

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)永磁電機(jī)的徑向電磁力的頻率和固有頻率相等時，兩個此時振動的振幅達(dá)到最大值，也會造成較大的異響。因此，在對電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，要使兩個之間的頻率相差越大越好，減小振動。

本文的研究以10極12槽永磁同步電動機(jī)為研究對象，建立二維永磁電機(jī)的模型，如圖1所示，其永磁電機(jī)的主要參數(shù)如下：額定功率750 W，額定電壓220 V、額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min、額定轉(zhuǎn)矩25 N·m、定子外徑100 mm、內(nèi)徑60 mm.

圖1 二維電機(jī)模型

電磁振動是由永磁同步電動機(jī)氣隙中基波磁場和諧波磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力所造成的，即電磁噪聲主要來源于電磁振動，因此永磁同步電機(jī)的振動分析是非常有必要的。該電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩如圖2所示。

圖2 電磁轉(zhuǎn)矩

圖2 中（a）是空載時永磁同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，其中仿真最大電磁力矩是0.003 3 N·m；圖（b）是負(fù)載時永磁電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，電壓幅值為110 V.

2 永磁電動機(jī)振動位移的仿真分析

通過對永磁電動機(jī)的外殼進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，得到該電機(jī)外殼的振動幅值，以此判斷本文的設(shè)計(jì)是否符合要求。在永磁電動機(jī)隨時間和位置變化的動態(tài)結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)分析中，由于永磁同步電機(jī)定子的磁密值和電磁力不同，將定子的內(nèi)表面看作若干個圓弧，并將每一段圓弧的中心看作一個質(zhì)點(diǎn)，從而求得定子內(nèi)表面的任何一個質(zhì)點(diǎn)在任何時刻的電磁力，其模型如圖3所示。

圖3 永磁電機(jī)的有限元模型

通過有限元軟件UG建立永磁電動機(jī)的三維模型，其中包括對定子鐵心、繞組、機(jī)殼、端蓋及定子系統(tǒng)進(jìn)行了建模，再將模型導(dǎo)入至有限元ANSYS軟件對永磁電機(jī)的振動進(jìn)行了模態(tài)分析，模態(tài)分析之前需要施加約束，電機(jī)定子內(nèi)表面電磁力時間、位置變化，將其電磁力載荷施加在電動機(jī)定子齒內(nèi)表面上，并且根據(jù)樣機(jī)實(shí)際的安裝情況，在有限元軟件里，對電動機(jī)外殼的孔處添加零位移約束，最后通過模態(tài)分析，得到永磁電機(jī)在水平和重直方向上的位移，其圖形如圖4所示。

圖4 電機(jī)任意時刻的位移圖

從圖4中可以看出，該電機(jī)外殼在x方向的位移較小，甚至可以忽略不計(jì)。在y方向上，振動的位移偏量較大，其最大振動位移達(dá)到2.28×10-6m.

3 總結(jié)

本文以10極12槽永磁同步電動機(jī)為研究對象，通過利用有限元方法對該電機(jī)在空載和額定負(fù)載下進(jìn)行了電磁場的仿真分析，并對該電機(jī)的機(jī)殼在x、y兩個方向上的位移偏量進(jìn)行仿真，其最大的偏離量為2.28×10-6m.