變頻電機定子模態影響因素研究與應用

左正發

摘 要 變頻電機由于徑向電磁力波作用于定子上，使定子發生振動而產生電磁噪聲。定子徑向模態影響到定子是否會發生共振，因此研究其模態十分重要。本文通過仿真和試驗對定子模態影響因素進行研究，發現定子徑向模態主要是跟軛部厚度和外圓直徑大小有關，提出了“軛徑比”的概念，通過計算其“軛徑比”即可計算定子的徑向模態頻率值，為電機振動噪聲改善設計提供參考。

關鍵詞 變頻電機;定子模態;影響因素

引言

變頻壓縮機作為變頻空調器的核心元件，其電機產生的電磁噪聲給空調器的舒適性造成了較大影響。電磁噪聲是由于徑向電磁力波周期性的作用于定子上，使定子發生振動而產生電磁噪聲。當電磁力波頻率和定子固有頻率接近時，會導致定子共振引起較大的電磁噪聲。本文通過仿真和試驗對定子模態影響因素進行研究。

1定子模態有限元分析模型

1.1 定子模態有限元數學模型

根據Hamilton 原理和應力-應變、應變-位移的關系，可得有限元離散后電機結構的拉格朗日運動方程：Ku+Rv+Ma=F式中：K為剛度矩陣，R為阻尼矩陣，M為質量矩陣;u為位移矢量，v為速度矢量，a為加速度矢量;F為外部激勵節點力矢量。電機模態分析問題屬于無阻尼自由振動問題，解特征值方程det（K-w2M）=0可得固有頻率，將每一個頻率代入特征值問題方程可得特征值矢量，選擇一定方法進行歸一化可得主振型[1]。

電磁噪聲主要取決于徑向振動，即徑向模態是研究的重點。所謂徑向模態是指振動時定子上各節點只在垂直于軸向平面內發生位移的振動形式。

1.2 定子徑向模態有限元仿真

鑒于電磁噪聲重點研究的是定子的徑向模態，而定子的徑向模態只受垂直軸向平面內的剛度和質量分布影響，即軸向同性。對于整個定子部件的仿真時將繞組進行簡化處理，以附加質量的形式加到定子齒上[2]。仿真振型如圖1所示，其頻率值1350Hz與實測值1310Hz相比僅相差3.1%，實測頻響曲線如圖2所示。

2定子徑向模態影響因素分析

為了分析定子徑向模態影響因素，采用定子鐵芯進行了如表1所述的試驗方案。

對比方案二和方案一可知：外徑和齒寬相同，軛部越寬固有頻率越高;對比方案三和方案二可知：齒寬不同，外徑和軛部寬度相同，固有頻率相同;

綜上所得：徑向固有頻率主要是由軛部寬度和外徑大小決定的。為了找出軛部寬度和外徑與固有頻率的關系，本文進行了如表2所述的仿真分析。

為了清楚地看出固有頻率與軛部寬度和外徑的關系，提出“軛徑比”的概念，軛徑比ib=W/D，這樣固有頻率便只與ib有關，根據表2數據可以擬合出公式F=20350ib ， 可見定子徑向固有頻率與“軛徑比”基本呈線性關系。

3結束語

（1）定子徑向模態遵循軸向同性原則，即通過單個沖片的仿真即可代表整個定子鐵芯，繞組可簡化為附加質量加在定子齒上。

（2）通過以上仿真和試驗可知：定子的徑向模態主要是由軛部寬度和外徑大小決定的，本文提出“軛徑比”的概念，建立起定子徑向固有頻率與“軛徑比”的關系，從關系圖中可看出定子徑向固有頻率與“軛徑比”基本上呈線性關系，因此通過計算其“軛徑比”即可快速計算定子的徑向模態頻率值，為電機振動噪聲設計和改善提供參考，而不用再一一進行復雜的計算和仿真。

參考文獻

[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] 王荀，邱阿瑞.大中型異步電動機定子模態的仿真分析[J].大電機技術，2011，（1）：1-3.